Summary
פרוטוקול הסינתזה של חלקיקים בי-מתכתיים נוזלים יוניים, ההליך של שלהם בדיקות קטליטי הידרוגנציה סלקטיבי של aldehydes רוויים מתוארים.
Abstract
נדגים שיטה לסינתזה של חלקיקים בי-מתכתיים המורכב Pt ו Sn. אסטרטגיה סינתזה משמש בו המאפיינים הכימי פיזיקלי מסוים של יונית נוזלים (ILs) מנוצלים כדי לשלוט בתהליכים התגרענות וצמיחה. חלקיקים בצורה sols colloidal היציבות colloidal גבוהה מאוד איל, אשר הוא מעניין במיוחד לאור השימוש בהם בתור זרזים ומעין הומוגנית. נהלים להפקת ננו-חלקיק שני בממיסים קונבנציונאלי ועבור nanoparticle משקעים מוצגים. גודל, מבנה והרכב של nanocrystals מסונתז מאושרות באמצעות inductively בשילוב ספקטרוסקופיה אטומית פליטת פלזמה (ICP-AES), קרני רנטגן ניתוח (XRD) ו במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) עם אנרגיה-ואנליזת ספקטרוסקופיית קרני רנטגן (EDX). על ידי זה, נראה כי nanocrystals הם אקראיים-סוג סגסוגת של גודל קטן (2-3 ננומטר). פעילות קטליטית ואת סלקטיביות ב הידרוגנציה של α, β-רוויים aldehydes נבחנה כור מסוג אצווה למחצה רציפה. בהקשר זה, חושפים חלקיקים מבוססות-Pt/Sn בי-מתכתיים של סלקטיביות גבוהה כלפי האלכוהול רוויים.
Introduction
ILs מייצגים מלחים מותכת בטמפרטורת החדר של קטיונים אורגני גדול עם דפוסים החלפת אסימטרי. . הם הידוע בשל תכונותיהם הכימי פיזיקלי לא רגיל. ניתן לכוונן את המאפיינים איל על ידי שילובים שונים של קטיונים IL ו אניונים, עד עכשיו, שפע של ILs זמינים מסחרית. לאחרונה, מדענים התחיל שימוש ILs התגובה מדיה עבור הסינתזה של ננו-חלקיק בשל תכונותיהם הממס מודולרי ומעולה, נמוך לחץ אדים, קוטביות גבוהה, יציבות רחב אלקטרוכימי חלון1,2 , 3 , 4.
במהלך העשור האחרון, חלקיקים בי-מתכתיים משכו תשומת לב רבה כי הם הראו מרובות פונקציות, פעילות קטליטית בולטים, יציבות סלקטיביות וכן תרמי ו/או חומר כימי על monometallic שלהם עמיתיהם5,6,7,8,9,10. בשל תופעות סינרגטי, מבנים השטח ששונה אלקטרונית ו/או גיאומטריים, פעילות קטליטית גבוהה, selectivities יכול להיעשות להמרות כימי גם אם אחד המרכיבים הוא פחות או בכלל לא פעיל11. למרות הסינתזה לשליטה של חלקיקים פיתחה במהירות בשנים האחרונות, יש עדיין צורך שליטה מדויקת יותר על שלבים התגרענות וצמיחה לסינתזה של nanocrystals בי-מתכתיים. מאז מתכות שונות מעורבים nanocrystals בי-מתכתיים, התפלגות אטומי משפיע לא רק הארכיטקטורה nanoparticle הסופי, אלא גם את המאפיינים קטליטי. ההופעה קטליטי היא רגישה מאוד הטבע של הזמנת אטומית (קרי, סגסוגות אקראיות לעומת intermetallic מתחם) גם אם הרכב ואת סטויכיומטריה זהים בדיוק. זה מפתיע, כי, עד כה, מאפייני ILs אטרקטיביים הם פחות בחנו את הסינתזה מבוקרת של בי-מתכתיים nanocatalysts12,13,14,15, 16.
ב פרוטוקול זה, אנחנו נראה כיצד לנצל את המאפיינים יוצא דופן של ILs לסינתזה של חלקיקים בי-מתכתיים, אקראי סגסוגת מסוג. כאן, יכול להיות מסונתז חלקיקים קטנים מאוד עם גודל אחיד ללא התוספת של ליגנדים עזר בטמפרטורות תגובה מתונה. התגרענות ותהליכי צמיחה נשלטים ישירות על ידי אינטראקציות הקטיון/אניון איל מוטמעת, חלש. מספר שיטות מבוססות-Pt/Sn חלקיקים ידועים, אולם, פרוטוקולים סינתטי אלה בדרך כלל כרוכים או תומך ו/או סוכנים (כלומר, די חריפה תיאום פיתחה או ליגנדים) ייצוב17. ליגנדים/פיתחה הספוחה על פני ננו-חלקיק יכול לשנות או אפילו מונעים ביצועים קטליטי, לעיתים קרובות צריכים להיות במרוכז הוסר (לדוגמה, באמצעות טיפול חום) עבור יישום קטליטי. פרוטוקול זה מניב sols איל מבוססי ננו-חלקיק של דופן יציבות colloidal גבוהה ללא התוספת של ליגנדים חריפה תיאום כזה. חלקיקים התייצב בשקלים חשפו מאפיינים מעניינים כמו זרזים ומעין הומוגנית במגוון רחב של תגובות קטליטי18,19,20,21,22 ,23,24. ב פרוטוקול זה, הידרוגנציה סלקטיבי של α, β-רוויים אלדהיד (קרי, אלדהיד cinnamic) מתואר תגובת המודל כדי לחקור את הביצועים קטליטי של חלקיקים מיוצב IL ואת השפעת alloying פח על קטליטי פעילות של סלקטיביות25.
פרוטוקול זה נועד להבהיר את הפרטים של ההליכים סינתטי ניסיוני וכדי לסייע חדשים העוסקים בתחום כדי להימנע מלכודות נפוצות רבות המשויכות הסינתזה של חלקיקים בשקלים. הפרטים של אפיון חומרים כלולים בפרסום הקודם25.
Protocol
אזהרה: נא עיין כל גליונות נתונים בטיחות חומרים רלוונטיים לפני השימוש. כמה החומרים הכימיים המשמשים syntheses האלה הם רעילים ומסרטנים בחריפות. ננו ייתכן מפגעים נוספים לעומת עמיתו בצובר שלהם. נא להשתמש כל נוהלי בטיחות המתאים בעת ביצוע תגובה סינטטי כולל שימוש הנדסה פקדים (fume הוד, הכפפות), ציוד מגן אישי (בטיחות משקפיים, כפפות, חלוק המעבדה, מכנסיים באורך מלא, נעליים סגורות). ההליכים הבאים לערב רגיל, טיפול באמצעות ארגון של גז אינרטי או השימוש הכפפות אנאוקסיים טכניקות schlenk ב ללא אוויר. להרכיב כל המפרקים כדי-זכוכית זכוכית בזהירות עם טבעת טפלון או גריז ואקום להימנע ממגע עם האוויר. לבדוק את כל כלי זכוכית עבור פגמים לפני השימוש. Triethylborane הוא נוזל pyrophoric שנשרפה במגע עם האוויר. אנא שמור על נוהלי בטיחות המתאים, לטפל בתנאים ללא אוויר. בבקשה להעסיק כל נוהלי בטיחות המתאים לשימוש של מימן ואת כל הציוד (אוטוקלאבים, גז ביורטות) בלחץ גבוה.
1. הכנה של הסוכן צמצום
-
הכנת triethylborohydride אשלגן (K [בית3H])
- להשעות 34.5 גרם (0.873 mol) אשלגן הידריד ב- 400 מ של tetrahydrofurane נטול מים בבקבוקון schlenk ב 3-צוואר עגול התחתון 1000 מ"ל תחת ארגון אווירה באמצעות הקו schlenk ב וחום את הבקבוק עד 50 מעלות צלזיוס תוך כדי ערבוב עם בר מערבבים.
- עם מזרק, להוסיף את 100 מ ל (0.71 מול) של triethylborane drop-wise (~ טיפה 1/s) כדי התליה מלהיב של אשלגן הידריד ב- tetrahydrofurane.
- מגניב התערובת תגובה ל-40 ° C, להסיר כל עודף של הידריד אשלגן על-ידי סינון.
- מקבלים triethylborohydride אשלגן כמו פתרון ברור, חסר צבע ב- tetrahydrofurane.
-
הכנת methyltrioctylammonium triethylborohydride ([אומה] [בית3H])
- תחת ארגון אווירה, להמיס 50 גרם (0.11 mol) של methyltrioctylammonium ברומיד ב- 100 מ של tetrahydrofurane נטול מים בבקבוקון התחתון סיבוב 2-צוואר 500 מ"ל.
- בטמפרטורת החדר, להוסיף 100 מ של K [בית3H] פתרון (1.5 M ב- tetrahydrofurane) הפתרון של trioctylmethylammonium ברומיד ב- tetrahydrofurane.
- מערבבים במשך 3 שעות בטמפרטורת החדר עם בר stir, ולאחר מכן מגניב ל-40 ° C בלילה.
- הסר ברומיד אשלגן דרך סינון של הפתרון מקורר.
- לקבל [אומה] [בית3H] פתרון ברור ב- tetrahydrofurane.
2. טיפול Methyltrioctylammonium Bis (trifluoromethylsulfonyl) אימיד ([אומה] [NTf2])
- לפני השימוש, יבש, דגה את [אומה] [NTf2] בואקום (10–3 mbar) ב 70 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות ו בואקום (10–mbar4 ) בטמפרטורת החדר במשך עוד h 16.
3. סינתזה של חלקיקים מבוססות-Pt/Sn
-
סינתזה של nanocrystals מבוססות-Pt/Sn
- באווירה ארגון, לשלב סך של mmol 0.25 של שני מתכת מלח סימנים מקדימים. התאם את היחס טוחנת של Pt2 + , Sn2 + המבשרות על 1:1 ו- 3:1 כדי להשיג חלקיקים אקראיים סגסוגת עם יצירות שונות:
- לסינתזה של Pt/Sn חלקיקים (1:1 שן טוחנת יחס של קודמן Pt:Sn), להשעות 33.2 מ ג של PtCl2 ו- 29.6 מ"ג של Sn(ac)2 (או 23.7 מ ג של SnCl2, בהתאם) ב 4 מיליליטר [אומה] [NTf2] הבקבוק schlenk ב 100 מ ל, מערבבים למהומה בר ב 60-80 מעלות צלזיוס במשך 2-3 h מתחת לקו ואקום.
- לסינתזה של Pt/Sn דגימות (3:1 שן טוחנת יחס של קודמן Pt:Sn), להשעות 49.9 מ"ג של PtCl2 עם 14.8 מ ג של Sn(ac)2 (או 11.9 מ ג של SnCl2, בהתאם) ב 4 מיליליטר [אומה] [NTf2] הבקבוק schlenk ב 100 מ ל, מערבבים למהומה בר ב 60-80 מעלות צלזיוס במשך 2-3 h מתחת לקו ואקום.
- מקם את המתלים באמבט אולטרא בטמפרטורת החדר במשך 1-2 h.
- ב 60-80 ° C, במהירות להזריק 3 מ"ל של פתרון [אומה] [בית3H] (1.23 ז ב- tetrahydrofurane) בעזרת מזרק 3 מ ל סימנים מקדימים מלח מתכת ב [אומה] [NTf2] בעוד לערבב נמרצות. זריקה מהירה יוצר אירוע התגרענות חדה, קידום גודל קטן והפצה גודל הצרה. תן את התגובה להמשיך תוך ערבוב ב 60-80 מעלות צלזיוס במשך 2-3 h.
- להתקרר לטמפרטורת החדר ולהסיר כל תרכובות נדיפות בואקום במהלך תקופה של 0.5 h.
- להשיג את החלקיקים מבוססות-Pt/Sn כמו סול colloidal יציב מאוד ב [אומה] [NTf2].
- באווירה ארגון, לשלב סך של mmol 0.25 של שני מתכת מלח סימנים מקדימים. התאם את היחס טוחנת של Pt2 + , Sn2 + המבשרות על 1:1 ו- 3:1 כדי להשיג חלקיקים אקראיים סגסוגת עם יצירות שונות:
-
בידוד של nanocrystals מבוססות-Pt/Sn
-
משקעים של nanocrystals מבוססות-Pt/Sn
- להוסיף 3 מ"ל של acetonitrile נטול מים או tetrahydrofurane פתרון flocculate nanocrystals. להעביר את המתלים בקבוקון בתא הכפפות, סגור את המבחנה עם כובע ולאחר צנטריפוגה למשך 15 דקות (4226 x g).
- Decant הפתרון. למחוק את תגובת שיקוע ולשטוף את התמיסה עם נטול מים acetonitrile או tetrahydrofurane.
- להשיג את החלקיקים כאבקה דביק המכיל חלקיקים Pt/Sn בנוסף כמה איל שיורית.
- לאשר את מבנה גבישי והרכב של nanocrystals Pt/Sn-מבוסס על ידי ניתוח XRD. משמרת של ההשתקפויות לכיוון התחתון בראג זוויות מציין alloying של חלקיקים פלטינה עם בדיל. לאמוד את גודל החלקיקים XRD דפוסי עם המשוואה Scherrer לפי הנוסחה הבאה
? איפה Lhkl הקוטר (ננומטר) nanocrystal Pd/Sn בניצב hkl, λ אורך הגל (ננומטר) (בדרך כלל Cu Kα 0.154 ננומטר), β שיא רוחב חצי מקסימום ו θ באמצעות הזווית בראג. - לקבוע תכולת המתכת, ההרכב על ידי ICP-AES.
הערה: ניתן לכוונן את ההרכב של החלקיקים על-ידי שינוי הן את טבעו של מבשרי מתכת פלטינה ליחס קודמן פח. חלקיקים מבוססות-Pt/Sn מסונתז platinum(II) כלוריד (PtCl2), tin(II) אצטט (Sn(ac)2) (Pt:Sn קודמן יחס של 3:1 או 1:1), תשואה אקראי סגסוגת מסוג Pt/Sn חלקיקים. ראה התייחסות לפרטים [ג דיטריך, ד שילד, וו Wang, Kübel ג, ס' Behrens, Anorg צ. Allg. כימיה 2017, 643, 120-129]25.
-
הפקת nanocrystals מבוססות-Pt/Sn
הערה: כדי להעביר חלקיקים איל לתוך הממס האורגני קונבנציונאלי (קרי, n-הקסאן), להוסיף 2 מ ל N-oleylsarcosine (10 wt.-% ב הקסאן) ו 2 מ של acetonitrile 1 מ של סול nanoparticle השנייה.- להוסיף סול ננו-חלקיק/IL כדי לחלץ nanocrystals ב n-הקסאן מ 2 N-oleylesarcosine ל n-הקסאן (10 wt.-%) ו- 1 מ"ל של acetonitrile נטול מים. לאחר טלטולים, לפקח ההעברה שלב מבחינה חזותית על-ידי שני decolorization את השלב איל וצבע שחור של שלב n-הקסאן.
- להפקיד טיפה של הפתרון על רשת נחושת מצופה פחמן ולנתח על ידי במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים.
-
משקעים של nanocrystals מבוססות-Pt/Sn
4. בדיקות קטליטי
הערה: בדיקה קטליטי, להשתמש כור אוטוקלב למחצה רציפה עם כור מצויד עם אניה טפלון, קדירות נושבת מכני (טפלון), שובל הזרימה (נירוסטה) כדי להשיג ערבוב אינטימי בין הגז שלב נוזלי, צמד תרמי ואמבט חימום.
-
הידרוגנציה סלקטיבי של α, β-רוויים aldehydes
- להוסיף 2.2 מ ג (17 mmol) של אלדהיד cinnaic (CAL) 30 מ של tetrahydrofurane נטול מים תחת גז אינרטי.
- בתא הכפפות אנאוקסיים, לשלב עם 1 מ"ל של הפתרון nanoparticle.
- מקם את הכור באמבט חימום ולאחר לחצים עם מימן. במהלך הניסויים קטליטי, לשמור את הלחץ מימן קבוע בבר 10, בעוד מימן הוא ברציפות מסופקים הכור ויה burette גז 500 מ"ל.
- להעלות את הטמפרטורה עד 80 ° C. ב 80° C, להתחיל להניע באמצעות קדירות נושבת (1200 סל ד). לטעון את הכור עם מימן כדי להתחיל את התגובה.
- שיא הצריכה המימן ללא הרף בהתבסס על הירידה בלחץ burette גז. כדי לקבוע פעילות קטליטית, סלקטיביות, סעו aliquots כל 30 דקות.
- לנתח את המוצרים התגובה על ידי גז כרומטוגרפיה באמצעות עמודה (30 מ' x 0.25 מ מ, 0.25µm עובי הסרט).
- לחשב את הפנייה מעל תדר (TOF), סלקטיביות המוצר (Sכאו [%]), ו cinnamic אלכוהול (כאו) תשואה ([] %) על פי הנוסחאות הבאות
כאשר t הוא זמן התגובה (h), n0, קאל הסכום הראשוני של קאל (mol), nמתכת/זרז כמות הזרז מתכת (mol), ו- Xt, קאל ההמרה של קאל בזמן t (%). [כאו], [HCAOL] ו- [HCAL] להפנות ריכוזי אלכוהול cinnamic, hydrocinnamic אלכוהול, אלדהיד hydrocinnamic (ראה תגובת ערכת איור 2), בהתאמה.
הערה: לקבלת פרטים נוספים, ראה גם התייחסות 25.
Representative Results
XRD דפוסי ותמונות מיקרוסקופ אלקטרונים (TEM) שידור הן עבור חלקיקים אבקות מסוממים עם (איור 1) ונשתמש בהם כדי לזהות את גודל, שלב ואת המורפולוגיה של nanostructures. אנרגיה-ואנליזת הספקטרומטריה (EDX) ו- ICP-AES משמשות לקביעת הרכב היסודות של חלקיקים.
איור 1. נציג TEM תמונות עם פילוג גודל החלקיקים של חלקיקים אקראיים סגסוגת מסוג Pt/Sn. חלקיקים הוכנו באמצעות platinum(II) כלוריד, tin(II) אצטט מבשרי (א) ב Pt:Sn טוחנת קודמן יחס של 3:1 ו- (b, c) על Pt:Sn טוחנת קודמן יחס של 1:1 ושימוש (ד) platinum(II) כלוריד, tin(II) כלוריד מבשרי ב- Pt שן טוחנת : Sn יחס של 1:1. (ה) נציג-אנרגיה-ואנליזת רנטגן ספקטרום של החלקיקים מבוססות-Pt/Sn בי-מתכתיים המאשרים את נוכחותם של Sn והן pt. (Cu האותות האלה מן הרשת Cu תמיכה). (ו) XRD דפוסים של חלקיקים מבוססות-Pt/Sn בהשוואה Pt nanoparticle הפניה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
באיור 2. ייצוג סכמטי של התגובה מסלולים ומוצרים התגובה העיקריים (קרי, אלכוהול cinnamic (כאו), אלדהיד hydrocinnamic (HCAL), ואלכוהול hydrocinnamic (HCAOL)) ב- הידרוגנציה של אלדהיד cinnamic (CAL). הידרוגנציה סלקטיבי של הקשר קרבוניל לאלכוהול רוויים היא שלב קריטי הסינתזה של כימיקלים שונים. מאת Pt alloying עם Sn ב חלקיקים מבוססות-Pt/Sn, הקשר קרבוניל עשוי להיות סלקטיבי מוקשה להניב את האלכוהול רוויים (קרי, כאו) כמו המוצר הראשי התגובה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
איור 3. הזמן קורס של ההמרה, סלקטיביות, הידרוגנציה קטליטי של cinnamaldehyde (CAL) עבור חלקיקים Pt/Sn אקראי סגסוגת מסוג אשר מוכנים מן platinum(II) אצטט tin(II) הכלוריד על יחס קודמן Pt:Sn של (א) (3:1 1:1 ו- () תנאי ריאקציה: 80 ° C, 10 H2). מידת הבררנות כאו אמנם נמוך יותר עבור חלקיקים עם Pt:Sn קודמן יחס של 3:1 (ב), ההמרה קאל משופרת תוצאות תשואה גבוהה יותר ב כאו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.
Discussion
מבשרי מלח מתכת הם בקפידה מומס [אומה] [NTf2] על ידי ערבוב את תערובת התגובה במשך הלילה, ואחריו ultrasonication. זהו צעד חשוב כדי להשיג Pt/Sn חלקיקים של הרכב הומוגני וגדלים. [אומה] [בטח3H] (כמו פתרון ב- tetrahydrofurane) ואז במהירות מוזרק עם מזרק בזמן נמרצות זע הפתרון צמיגה. זריקה מהירה ערבוב של שני הרכיבים היא תנאי הכרחי להשגת monodisperse וחלקיקים הומוגנית, עלולה להגביל את קנה המידה של ההליך. היווצרות nanoparticle מוצלח יכול להיות פיקוח על-ידי שינוי צבע צהבהב פתרון שחור. במהלך שלב זה, H2 נוצר כמוצר לוואי, ויש לפיכך, הצעד צמצום בפעולות זרם ארגון כדי למנוע לחץ של כלי השיט התגובה. מגע עם האוויר ויש לחות תימנע במהלך כל השלבים של ננו-חלקיק סינתזה. איל נוצרים חלקיקים Pt/Sn לאחר ההזרקה של הסוכן צמצום, איפה איל הקטיון ובקרת אניון איל שני התגרענות ומעבד צמיחה25. כתוצאה מכך, חלקיקים קטנים מאוד מתקבלים אשר בצורה יציב בצורה יוצאת דופן, colloidal סול [אומה] [NTf2]. גישה סינתטית זו אינה דורשת שימוש נוסף, חריפה תיאום ליגנדים, עשוי להיות מועסק עוד יותר כדי להשיג חלקיקים קטנים של שונים מונו - יצירות בי-מתכתיים.
Sols שבו חלקיקים הם ותשמרו את השנייה מעניינות מאוד על רקע יישומי קטליטי ומעין הומוגנית. עם זאת, בידודו של חלקיקים (למשל, עבור איפיון חלקיקים) הופך להיות די מאתגר עקב יציבות colloidal גבוהה השנייה. החלקיקים מבודדים כאבקה דביק על ידי משקעים עם tetrahydrofurane, צנטריפוגה רצופים. זהו צעד חיוני ביחס nanoparticle אפיון, למשל, על ידי ניתוח TEM או XRD. לחלופין, חלקיקים יכול להיות בנוסף functionalized, לחלץ בתור ממיס קונבנציונאלי, לאחר הוספה של ליגנד תיאום (קרי, N-oleylsarcosine) ב n-הקסאן ו acetonitrile סול nanoparticle מבוסס-IL. הדגימות ואז מטופלים נוספים כמו סול nanoparticle קונבנציונלי. באופן כללי, מאפייני משטח מסוים נדרשים בדרך כלל ביחס ביו או טכנית שיישום מסוים של חלקיקים. בשל התיאום חלשים של החלקיקים על פני השטח, ILs יכול להיות מוחלף על ידי ליגנדים אחרים בקלות. כתוצאה מכך, זה אפשרי להנדס את מאפייני השטח על פי דרישות ספציפיות של היישום באמצעות ההליך סינתטי נוכח. נוזלים מגנטיים בהתבסס על חלקיקים קטנים, פאראמגנטי קובלט, למשל., מוכנות בתקשורת המוביל או ארומטי aliphatic מגוונות (קרי, נפט, AP201 או L9 אדוארדס) בעקבות דומה הליך3,4 . לאחר החילוץ ננו-חלקיק, איל עשוי להיות ממוחזר, שימוש חוזר של ננו-חלקיק סינתזה.
ניתוח TEM של חלקיקי מבוצעת על ידי הפקדת בשכבה דקיקה של סול nanoparticle ברשת TEM. . הנה, הפירוק של איל ב כשקרן האלקטרונים וזיהום רצופים של המדגם TEM עשוי לייצג אתגר אמיתי לשיקוף על חלקיקים קטנים. לחלופין, חלקיקים precipitated שהופקדו על הרשת TEM, נחקרים על ידי ניתוח TEM. במקרה זה, החלקיקים בדרך כלל בצורת מבנים מאוד צבורים. איור 1a -d מציג תמונות TEM של חלקיקים איל מציג חלקיקי מאוד קטן ורגיל של 2-3 ננומטר קוטר. עבור כל הדגימות, TEM-EDX ניתוח מאשר נוכחותם של טין והן פלטינה של החלקיקים (איור 1e).
כדי להראות את אבקות מסוממים עם התו ואת המבנה סגסוגת אקראי-סוג של חלקיקים, קרני רנטגן דפוסי נאספים עבור אבקות nanoparticle. הדפוסים XRD לאשר שהפנים ממורכז מעוקב (fcc) ומבנה סגסוגת אקראי-סוג של החלקיקים (איור 1f). מבנה סגסוגת אקראי הוא אחת הצורות ביותר המקובלת בחלקיקים בי-מתכתיים, שבו שני הרכיבים באופן אקראי (או כמעט באקראי) פרוסות בצורת חלקיקים. עבור מערכת Pt-Sn, גם היווצרות של כמה תרכובות בין-מתכתיות ידועה (כלומר, PtSn, PtSn4, PtSn2, Pt2Sn3ו- Pt3Sn)17,26. הורה סגסוגת אקראי בין-מתכתיות ומבולבלת מבנים עשויים להיות מאופיינת את הנוכחות ואת היעדר דפוסים נוספים עקיפה נגזר superlattice מבנים. ה-fcc פלטינה לאפיון השתקפויות-40°, 45°, 68° ו ° 82 (2) המתאים (111), (200), (220), מטוסים (311). עבור כל מבוססות-Pt/Sn חלקיקים, התבנית XRD מציג ארבעה השתקפויות האופיינית של שלב ה-fcc פלטינה. לעומת העמדות של ההשתקפויות של ההפניה פלטינה טהורה, עם זאת, ההשתקפויות של חלקיקים מבוססות-Pt/Sn יוזזו לזוויות בראג קטנים יותר. שינוי זה לזוויות בראג קטן מצביע על גידול של הפרמטרים סריג על-ידי ההוספה של אטומי בדיל לתוך השבכה fcc פלטינה. בתבניות XRD, השתקפויות האופייני הסידור האטומי בשלב בין-מתכתיות (קרי, Pt3Sn) שאינם קיימים. הדבר מצביע על היווצרות הליבה אבקות מסוממים עם ננו-חלקיק עם התפלגות אקראית של פלטינה, פח. הירידה של PdCl2 אל Sn(ac) יחס קודמן2 מ 3:1 1:1 מוביל בנוסף שוקולדים קטנים2 חלקיקים ב מטווח קרוב ל חלקיקים Pt/Sn אקראי סגסוגת מסוג סנובורד2 נוצר על ידי פירוק של קודמן2 Sn(ac). אם Sn(ac)2 הוא הגיבו [אומה] [בית3H] בתנאים באותה התגובה בהיעדרו למבשר פלטינה, סנובורד, סנובורד2 מתקבלים כמוצרים התגובה העיקריים. אם Sn(ac)2 הוא מוחלף על ידי בדיל (II) כלוריד (SnCl2), הגיבו [אומה] [בית3H] בנוכחות למבשר פלטינה (PtCl2), נוצרות באופן בלעדי אמורפי חלקיקים והוא כדורי שלג2 זוהה. התוכן פח הליבה nanoparticle ניתן עוד יותר לנתח אם נחוש באמצעות ניתוח Rietveld הקבועים סריג. על פי החוק של Vegard, הפרמטרים סריג להגדיל באופן ליניארי בין הפרמטרים סריג של חלקיקים Pt טהור (3.914 Å) לבין השלב Sn3נק' (4.004 Å). בעקבות גישה זו, הקופסה הליבה nanoparticle גבישי מחושב עד 11% (כלומר, עבור PtCl2 / Sn(ac)2 קודמן יחס של 3:1) עולה על 18% (כלומר, עבור PtCl2 / Sn(ac)2 קודמן יחס של 1:1). התוכן בדיל הכולל של 21% ל- 55%, בהתאמה, נקבעת על-ידי ניתוח של ICP-AES ועולה לכן, הסכום של פח הליבה nanoparticle. ניתן להקצות את התוכן באופן כללי פח גבוה יותר כדי היווצרות נוספים של שוקולדים,2 (כלומר, כ- 26%) וכדי כמה סגרגציה של אטומי בדיל על פני nanoparticle. ספקטרה photoelectron רנטגן נוספת לאשר הנוכחות של Pt0/Sn0 (כלומר, עבור PtCl2 Sn(ac)2 קודמן יחס של 3:1) ו- Pt0/Sn0 בשילוב שוקולדים 20%2 (כלומר, עבור PtCl2 Sn(ac)2 קודמן יחס של 1:1) בחלקיקים מבוססות-Pt/Sn, וזה מתאים עם התוצאות של ניתוח XRD25. הפסגה הרחבת נובע Scherrer המסובכים גודל הקריסטל סופיים. גודל חלקיקים מחושבת באמצעות המשוואה Scherrer עבור חלקיקים מבוססות-Pt/Sn כדי 2.4 nm (קרי, Pt:Sn 1:1), 2.5 ננומטר (קרי, Pt:Sn 3:1), ועבור ההפניה nanoparticle נק', 2.7 ננומטר, בהתאמה, אשר הוא בקנה אחד עם התוצאות של ניתוח TEM.
הטרנספורמציה של α, β-רוויים aldehydes כדי כהלים רוויים ויה הידרוגנציה סלקטיבית היא מהותית כימיה קטליטי, שלב קריטי לייצור כימיקלים שונים25,27. למרות תרמודינמיקה טובות היווצרות של aldehydes רווי, מידת הבררנות לקראת היווצרות כהלים רוויים יכול להיות גדל באופן משמעותי על זרזים מבוסס-Pt בי-מתכתיים על-ידי התאמת הגודל שלהם, הרכב ואת התמיכה שלהם חומר. שילוב מתכת electropositive (למשל., Sn) לתוך ההפניות פלטינה כדי השינוי אלקטרונית של הלהקה d Pt אשר מוריד את האנרגיה מחייב עבור הקשר C = C של אלדהיד רוויים27. האטומים Sn אלקטרון לקויה יכולה לפעול נוספים כאתרי ספיחה חומצת לואיס קבוצת קרבוניל;28. יתר על כן, חמצן ריק אתרי בכתמים2-x כדי לראות בקשר Pt מודגמות גם לקדם קרבוניל ספיחה, הידרוגנציה העוקבים שלה על ידי אטומי מימן אשר המסופק באמצעות פלטינה הסמוך אתרי29. בסך הכל, דוגמאות אלה מראים כי הביצועים קטליטי של זרזים מבוסס-Pt בי-מתכתיים נשלטת על ידי מערכת מורכבת של גורמים. ב פרוטוקול זה, אנו משתמשים של הידרוגנציה של אלדהיד cinnamic כתגובה מודל לא רק כדי לחקור את הביצועים הכוללת קטליטי של חלקיקים מיוצב IL אבל יותר להבהיר את השפעת alloying פח על הפעילות ועל מידת הבררנות של Pt חלקיקים. איור 2 מציג מסלולים אפשריים ומוצרים התגובה העיקריים הידרוגנציה של קאל. בהתחלה, המאפיינים קטליטי של חלקיקים הפניה Pt נבדקים על הידרוגנציה של קאל. במקרה זה, אלדהיד רוויים (קרי, HCAL) מתקבל תוצר התגובה היחידה לאחר 3 שעות של התגובה, ואת ההמרה קאל Xקאל היא 5% (3h) ו-9% (ח 22), בהתאם. לאחר alloying של Pt עם Sn ב חלקיקים בי-מתכתיים, מידת הבררנות של המוצר הוא זז בבירור לכיוון האלכוהול רוויים (קרי, כאו) (איור 3). מידת הבררנות Sכאו הוא 100% (כלומר, עבור חלקיקים מסונתז על ידי טוחנת PtCl2/Sn(ac)2 יחס של 1:1), 80% (כלומר, עבור חלקיקים מסונתז על ידי PtCl טוחנת2 / Sn(ac)2 יחס של 3:1), ו- 83% (כלומר, עבור חלקיקים מסונתז על ידי PtCl טוחנת2 / SnCl2 יחס של 1:1) לאחר 3 שעות של תגובה כך, בהמשך הושפע ההרכב nanoparticle בפועל. תוף ירידה מ- 28 h-1 כ 8 שעות-1 עבור החלקיקים מסונתז על ידי PtCl טוחנת2 / Sn(ac)2 יחס של 3:1 ו- 1:1, בהתאמה, וכדי 7 h-1 עבור חלקיקים שהושג באמצעות SnCl2 במקום Sn(ac)2 עם שן טוחנת PtCl2/SnCl2 יחס של 1:1, בהתאם. ההמרה קאל Xקאל הוא 25% (3h) ו- 84% (ח 22) עבור חלקיקים מבוססות-Pt/Sn (כלומר., PtCl שן טוחנת2 / יחס2 Sn(ac) 3:1) אשר מוביל התשואה הגבוהה ביותר ב כאו (Yכאו 20% (3h)) בין חלקיקים חקר במחקר זה. על מנת להעריך את הביצועים הכוללת קטליטי של המערכת, שני היבטים, קרי, סלקטיביות קטליטי, פעילות, צריכים להילקח בחשבון, ועל כך, חלקיקים Pt/Sn המוכנים של ראשוני טוחנת PtCl2/Sn(ac)2 יחס של 3:1 בבירור ביצועים טובים יותר כל שאר החלקיקים Pt -, מבוסס על Pt/Sn חקר במחקר שלנו מבחינת התשואה cinnamic אלכוהול. לפיכך, ביצועים מצוינים קטליטי במקרה זה נראה כי תוצאה של Sn להזרקות של Pt חלקיקים איזון פעילות, סלקטיביות לאלכוהול cinnamic במערכת. יש לציין כי הריק ניסוי משתמש באותם תנאים התגובה אבל בלי nanoparticle זרז לא הראה שום המרה של אלדהיד cinnamic לאחר 22 h של תגובה.
הראו הליך סינתטי לשליטה הכנת חלקיקים קטנים, מבוססות-Pt/Sn אקראי סגסוגת מסוג מבנה על ידי ניצול הכימי פיזיקלי המועילות של ש ח. גישות משקעים שיתוף בדומה שכבר הוחלו על מגוון רחב של חלקיקים בי-מתכתיים, ממיסים קונבנציונאלי, אנו מצפים כי סוגי סגסוגת אקראיים והן בין-מתכתיות חלקיקים שניתן להשיג על ידי גישה זו יהיה ממשיכים להתרחב. החשיפה חלקיקים מעניין קטליטי נכסים הידרוגנציה קטליטי אלדהיד cinnamic, של סלקטיביות גבוהה בצורה משמעותית α, β-רווי אלכוהול cinnamic מושגת על-מבוססות-Pt/Sn חלקיקים.
Disclosures
אין לנו לחשוף.
Acknowledgments
עבודה זו נתמכה על ידי קרן המדע הגרמני בתוך התוכנית עדיפות (SPP1708) "חומר סינתזה ליד בטמפרטורת החדר" (פרויקטים להיות פיינטבול לייזר/3-1 ולהיות פיינטבול לייזר/3-2). אנו להכיר עוד הרמן קוהלר לסיוע ניסיוני וכן ד ר כריסטיאן Kübel, וואנג וו לקבלת תמיכה בלימודים מיקרוסקופ אלקטרונים.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Platinum(II) acetate (PtCl2) | Acros | ACRO369670010 | 99%, anhydrous, toxic |
| Tin(II) acetate (Sn(ac)2) | Strem | 50-1975 | 99% |
| Tin(II) chloride (SnCl2) | Sigma Aldrich | 452335 | 98%; harmful |
| Methyltrioctylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide ([OMA][NTf2]) |
IoLitec | IL-0017-HP | 99 %; n.a.; H2O < 100 ppm; halides < 100 ppm |
| Tetrahydrofurane | Sigma Aldrich | 186562 | 99.9 %; anhydrous; carcinogenic |
| Acetonitrile | Sigma Aldrich | 271004 | 99.8%; anhydrous; harmful |
| n-Hexane | Sigma Aldrich | 95%, flammable, carcinogenic, toxic | |
| (Trans)-cinnamaldehyde | Sigma Aldrich | 14371-10-9 | 99%; irritant |
| Methyltrioctylammonium bromide | Sigma Aldrich | 365718 | 97%; irritant |
| Potassium hydride (KH) | Sigma Aldrich | 215813 | 30 wt.-% dispersion in mineral oil; corrosive |
| Triethylborane (B(Et)3) | Witco | 257192 | 95%; toxic, pyrophoric |
| N-oleylsarcosine (Korantin-SH) | BASF | ||
| H2 | Air Liquide | 99.9 %, flammable |
References
- Dupont, J., Scholten, J. D. On the structural and surface properties of transition-metal nanoparticles in ionic liquids. Chemical Society Reviews. 39 (5), 1780-1804 (2010).
- Vollmer, C., Janiak, C. Naked metal nanoparticles from metal carbonyls in ionic liquids: Easy synthesis and stabilization. Coordination Chemistry Reviews. 255 (17-18), 2039-2057 (2011).
- Behrens, S., Essig, S. A facile procedure for magnetic fluids using room temperature ionic liquids. Journal of Materials Chemistry. 22 (9), 3811-3816 (2012).
- Essig, S., Behrens, S. Ionic liquids as size- and shape-regulating solvents for the synthesis of cobalt nanoparticles. Chemie Ingenieur Technik. 87 (12), 1741-1747 (2015).
- Liu, X., Wang, D., Li, Y. Synthesis and catalytic properties of bimetallic nanomaterials with various architectures. Nano Today. 7, 448-466 (2012).
- Armbrüster, M. K., et al. Al13Fe4 as a low-cost alternative for palladium in heterogeneous hydrogenation. Nature Materials. 11, 690-692 (2012).
- Luo, Y., Alarcón Villaseca, S., Friedrich, M., Teschner, D., Knop-Gericke, A., Armbrüster, M. Addressing electronic effects in the semi-hydrogenation of ethyne by InPd2 and intermetallic Ga-Pd compounds. Journal of Catalysis. 338, 265-272 (2016).
- Egeberg, A., et al. Bimetallic nickel-iridium and nickel-osmium alloy nanoparticles and their catalytic performance in hydrogenation Reactions. ChemCatChem. 9, 3534-3543 (2017).
- Rai, R., et al. Access to highly active Ni-Pd bimetallic nanoparticle catalysts for C-C coupling reactions. Catalysis Science & Technoly. 6, 5567-5579 (2016).
- Rai, R., Gupta, K., Behrens, S., Li, J., Xu, Q., Singh, S. K. Highly active bimetallic nickel-palladium alloy nanoparticle catalyzed Suzuki-Miyaura reactions. ChemCatChem. 7, 1806-1812 (2015).
- Singh, S. K., Yadav, M., Behrens, S., Roesky, P. W. Au-based bimetallic nanoparticles for the intramolecular aminoalkene hydroamination. Dalton Transactions. 42, 10404-10408 (2013).
- Arquillière, P., et al. Bimetallic Ru-Cu nanoparticles synthesized in ionic liquids: Kinetically controlled size and structure. Topics in Catalysis. 56, 1-7 (2013).
- Helgadottir, I., et al. Ru-core/Cu-shell bimetallic nanoparticles with controlled size formed in one-pot synthesis. Nanoscale. 6, 14856-14862 (2014).
- Dash, P., Miller, S. M., Scott, R. W. J. Stabilizing nanoparticle catalysts in imidazolium-based ionic liquids: A comparative study. Journal of Molecular Catalysis A. 329, 86-95 (2010).
- Schutte, K., et al. Colloidal nickel/gallium nanoalloys obtained from organometallic precursors in conventional organic solvents and in ionic liquids: noble-metal-free alkyne semihydrogenation catalysts. Nanoscale. 6, 5532-5544 (2014).
- Schutte, K., Meyer, H., Gemel, C., Barthel, J., Fischer, R. A., Janiak, C. Synthesis of Cu, Zn and Cu/Zn brass alloy nanoparticles from metal amidinate precursors in ionic liquids or propylene carbonate with relevance to methanol synthesis. Nanoscale. 6, 3116-3126 (2014).
- Wang, X., et al. Pt/Sn Intermetallic, Core/Shell and Alloy Nanoparticles: Colloidal Synthesis and Structural Control. Chemistry of Materials. 25, 1400-1407 (2013).
- Marcos Esteban, R., Janiak, C. Synthesis and application of metal nanoparticle catalysts in ionic liquid media using metal carbonyl complexes as precursors. Nanocatalysis in Ionic Liquids. Prechtl, M. , Wiley-VCH, Weinheim. (2016).
- Redel, E., Krämer, J., Thomann, R., Janiak, C. Synthesis of Co, Rh and Ir nanoparticles from metal carbonyls in ionic liquids and their use as biphasic liquid-liquid hydrogenation nanocatalysts for cyclohexene. Journal of Organometallic Chemistry. 694, 1069-1075 (2009).
- Venkatesan, R., Prechtl, M. H. G., Scholten, J. D., Pezzi, R. P., Machado, G., Dupont, J. Palladium nanoparticle catalysts in ionic liquids: synthesis, characterisation and selective partial hydrogenation of alkynes to Z-alkenes. Journal of Materials Chemistry. 21, 3030-3036 (2011).
- Konnerth, H., Prechtl, M. H. G. Selective partial hydrogenation of alkynes to (Z)-alkenes with ionic liquid-doped nickel nanocatalysts at near ambient conditions. Chemical Communications. 52, 9129-9132 (2016).
- Gieshoff, T. N., Welther, A., Kessler, M. T., Prechtl, M. H. G. Stereoselective iron-catalyzed alkyne hydrogenation in ionic liquids. Chem. Comm. 50, 2261-2264 (2014).
- Konnerth, H., Prechtl, M. Selective hydrogenation of N-heterocyclic compounds using Ru nanocatalysts in ionic liquids. Green Chemistry. 19, 2762-2767 (2017).
- Beier, M. J., Andanson, J. -M., Mallat, T., Krumeich, F., Baiker, A. Ionic liquid-supported Pt nanoparticles as catalysts for enantioselective hydrogenation. ACS Catalysis. 2, 337-340 (2012).
- Dietrich, C., Schild, D., Wang, W., Kübel, C., Behrens, S. Bimetallic Pt/Sn-based nanoparticles in ionic liquids as nanocatalysts for the selective hydrogenation of cinnamaldehyde. Journal of Inorganic and General Chemistry (ZAAC). 643, 120-129 (2017).
- Zhou, W., Liu, L., Li, B., Wu, P., Song, Q. Structural, elastic and electronic properties of intermetallics in the Pt-Sn system: A density functional investigation. Computational Materials Science. 46, 921-931 (2009).
- Gallezot, P., Richard, D. Selective hydrogenation of α,β-unsaturated aldehydes. Catalysis Reviews Science and Engineering. 40, 81-126 (1998).
- Samant, P., Pereira, M., Figueiredo, J. Mesoporous carbon supported Pt and Pt-Sn catalysts for hydrogenation of cinnamaldehyde. Catal. Today. 102, 183-188 (2005).
- Rong, H., et al. Structure evolution and associated catalytic properties of Pt-Sn bimetallic nanoparticles. Chemistry European Journal. 21, 12034-12041 (2015).
