Préparation de nanoparticules alliées d’argent-palladium pour la catalyse plasmonique sous illumination visible

Ce protocole représente la synthèse de nanoparticules alliées à l’argent et au palladium supportées par du dioxyde de zirconium. Il facilite la récupération d’énergie à partir de l’irradiation de la lumière visible pour accélérer et contrôler les transformations de couleur de la lumière. Cette méthode permet d’apparier les propriétés plasmoniques et catalytiques d’une seule ligne de particule pour permettre des transformations trivalentes légères dans des métaux catalytiques qui n’ont pas de propriétés plasmoniques.

Ce protocole peut donner des informations sur la nanocatalyse, la synthèse de nanoparticules et la synthèse de catalyseurs soutenue. Il peut être appliqué pour ordonner des transformations moléculaires dans des compositions de nanoparticules. Pour fabriquer des nanoparticules d’argent, de palladium, de dioxyde de zirconium.

Ajoutez 50 millilitres de nitrate d’argent et 9,71 millilitres de tétrachloroplatinate de potassium dans un bécher de 250 millilitres contenant un gramme de dioxyde de zirconium. Mélangez les solutions sous une agitation magnétique vigoureuse à 500 tours par minute à température ambiante pendant cinq minutes avant d’ajouter 10 millilitres de lysine dans le bécher. Après 20 minutes, ajoutez 10 millilitres d’une solution de borohydrure de sodium fraîchement préparée au mélange goutte à goutte à raison d’un millilitre par minute.

Continuez à remuer le mélange pendant 30 minutes supplémentaires à température ambiante, puis laissez la réaction se décanter pendant la nuit. Le lendemain matin, répartissez la suspension entre plusieurs tubes de centrifugation et séparez les solides du mélange par centrifugation. Retirez délicatement le surnageant et ajoutez 15 millilitres d’eau déminéralisée dans les tubes.

Agitez vigoureusement jusqu’à ce que le solide soit complètement dispersé, en plaçant les tubes dans un vortex pendant une minute pour remettre complètement le matériau en suspension si nécessaire. Répétez le lavage par centrifugation et la remise en suspension deux fois de plus, comme il a été démontré en utilisant 15 millilitres d’eau déminéralisée pour le deuxième lavage et de l’éthanol pour le troisième. Après avoir retiré l’éthanol du dernier lavage, séchez le solide dans un four à 60 degrés Celsius pendant 24 heures avant de caractériser la préparation de dioxyde de zirconium d’argent par des techniques de microscopie élémentaire et spectroscopique standard.

Pour produire des nanoparticules de dioxyde de zirconium d’argent, ajoutez 50 millilitres de nitrate d’argent dans un bécher de 250 millilitres contenant un gramme de poudre de dioxyde de zirconium sous une agitation magnétique vigoureuse à température ambiante, ajoutez 10 millilitres de lysine dans le bécher et continuez à remuer le mélange pendant 20 minutes supplémentaires. À la fin de l’incubation, ajoutez 10 millilitres de borohydrure de sodium fraîchement préparé à la solution, comme démontré pendant 30 minutes pendant l’incubation à température ambiante. Pour la séparation et la purification du catalyseur, répartissez la solution entre plusieurs tubes de centrifugation et collectez les solides par centrifugation.

Retirez soigneusement la phase liquide et ajoutez 15 millilitres d’eau déminéralisée dans les tubes pour permettre une remise en suspension vigoureuse des solides. Centrifugez la solution résultante pour un lavage supplémentaire avec de l’eau distillée et un lavage avec de l’éthanol, comme démontré. Après avoir retiré l’éthanol, enfoncez un solide dans un four à 60 degrés Celsius pendant 24 heures avant de caractériser les nanoparticules de dioxyde de zirconium argentés par une variété de techniques de microscopie standard, élémentaires et spectroscopiques.

Pour étudier les performances du catalyseur plasmonique sous éclairage lumineux, ajoutez 30 milligrammes de catalyseur dans une fiole à fond rond de 25 millilitres avec une barre d’agitation magnétique et ajoutez cinq millilitres d’une mole de nitrobenzène de 0,03 mole par litre dans une solution d’alcool isopropylique. Ajoutez 11,22 milligrammes de poudre d’hydroxyde de potassium dans le ballon et faites buliser cette suspension avec un flux d’argon pendant une minute pour purger le réacteur. Immédiatement après la purge, placez le ballon scellé dans un bain d’huile à 70 degrés Celsius au-dessus d’un agitateur magnétique à température contrôlée à 500 tours par minute.

Utilisez quatre lampes LED d’une longueur d’onde de 427 nanomètres et d’une intensité lumineuse de 0,5 watt par centimètre carré placées exactement à sept centimètres du ballon pour irradier la solution. Et laissez la réaction se dérouler pendant 2,5 heures à 70 degrés Celsius sous une agitation magnétique vigoureuse. À la fin de l’incubation, éteignez les lumières et utilisez une seringue et une aiguille pour prélever un échantillon d’un millilitre dans le réacteur ouvert.

Ensuite, filtrez l’échantillon à travers un filtre de 0,45 micron dans une vile de chromatographie en verre pour éliminer les particules du catalyseur. Pour étudier les performances du catalyseur plasmonique en l’absence de rayonnement plus léger, effectuez l’analyse comme nous venons de le démontrer, mais avec le récipient de réaction enveloppé d’une feuille d’aluminium pour le protéger de la lumière. Pour l’analyse par chromatographie en phase gazeuse, préparer 10 millilitres de solution d’alcool isopropylique contenant environ 30 millimoles par litre de nitrobenzène, 30 millimoles par litre d’aniline et 30 millimoles par litre d’azobenzène et effectuer une analyse par chromatographie en phase gazeuse sur la solution conformément aux protocoles standard.

La méthode choisie doit permettre de séparer les pics correspondant à l’alcool isopropylique, au nitrobenzène, à l’aniline et à l’azobenzène pendant la période minimale de temps de rétention illustrée. Une fois la méthode choisie, préparer des ensembles individuels de solutions de nitrobenzène, d’aniline ou d’azobenzène de 50, 25, 10, 5 et 2,5 millimolaires dans de l’alcool isopropylique. Exécutez ensuite une analyse par chromatographie en phase gazeuse de chacune des solutions préparées.

Chaque chromatogramme doit présenter deux pics, le pic le plus élevé correspondant à l’alcool isopropylique et le pic inférieur correspondant au nitrobenzène, à l’aniline ou à l’azobenzène, selon le cas. Pour chaque chromatogramme, notez le temps de rétention et la surface du pic de chaque pic. Tracez ensuite la concentration en fonction de l’aire du pic de chaque échantillon pour tracer la courbe d’étalonnage afin de déterminer la concentration de chaque solvant.

Le dioxyde de zirconium n’affiche pas d’interdictions dans le domaine visible et ne devrait donc pas contribuer à une activité photocatalytique. Un signal centré à 428 nanomètres peut être détecté pour les nanoparticules de dioxyde de zirconium argenté tandis que les nanoparticules de dioxyde de zirconium argenté et palladium présentent un pic centré à 413 nanomètres. Il est difficile d’identifier les nanoparticules d’argent et de palladium par microscopie électronique à balayage, mais la formation de nanoparticules d’une taille moyenne d’environ 10 nanomètres peut être visualisée par microscopie électronique à transmission.

Après la réaction, la conversion et la formation sélective d’azobenzène et d’aniline peuvent être mesurées par chromatographie en phase gazeuse. En l’absence de catalyseurs, aucune conversion de nitrobenzène n’est détectée en présence ou en l’absence d’éclairage lumineux. Pour les nanoparticules de dioxyde d’argent et de zirconium, aucune conversion n’est détectée dans l’obscurité, tandis qu’une conversion de 36 % est observée sous excitation LSPR.

Une sélectivité de 56 % envers l’azobenzène est également détectée, ce qui indique que l’argent seul peut catalyser cette réaction sous excitation LSPR. Pour les nanoparticules de dioxyde de zirconium d’argent biométallique, de palladium, aucune conversion significative n’est détectée dans des conditions sombres. Il est intéressant de noter que sous l’excitation LSPR, la conversion est de 63 % avec une sélectivité de 73 % envers l’azobenzène, démontrant le potentiel de la configuration métallique non seulement pour augmenter la conversion sous excitation LSPR, mais aussi pour contrôler la réaction de manière sélective.

La réaction est provoquée catalytiquement par le palladium et renforcée de manière débile par l’argent, sous irradiation à la lumière visible. Par conséquent, il est important de contrôler la synthèse des nanoparticules et de sélectionner les longueurs d’onde de la lumière pour la catalyse. Le palladium, métal catalytiquement actif, et l’argent, métal plasmoniquement actif, peuvent être remplacés par d’autres types de combinaisons possibles pour cibler différents types de réactions organiques.