מאמר שיטה

סינתזה וביצועי קטליטי של הזהב intercalated בחומות של mesoporous סיליקה

DOI:

10.3791/52349

⸱

9 ביולי 2015

 ,  , 
1Department of Chemistry and Geochemistry, Colorado School of Mines

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כאן, אנו מציגים פרוטוקול עם תהליך סול-ג'ל לסינתזה של זהב משולב בדפנות של חומרים מזו-נקבוביים (GMS), אשר אושר כבעל מטריצה מזו-נקבובית עם זהב משולב בדפנות המקנה יציבות ויכולת מיחזור רבה.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ככור ננו catalytically פעיל מבטיח, חלקיקי זהב intercalated בסיליקה mesoporous (GMS) היו מסונתזים בהצלחה ומאפיינים של החומרים נחקרו. השתמשנו בגישה של סול-ג'ל סיר אחד לintercalate חלקיקי ננו זהב בקירות של סיליקה mesoporous. כדי להתחיל עם הסינתזה, P123 שימש כתבנית ליצירת מיצלות. אז TESPTS שימש כסוכן שינוי פני השטח לintercalate חלקיקי ננו זהב. בעקבות תהליך זה, TEOS נוספה כבמקור סיליקה שעבר תהליך פילמור בסביבת חומצה. לאחר עיבוד הידרותרמיות וcalcination, המוצר הסופי נרכש. כמה טכניקות נוצלו כדי לאפיין את נקבוביות, המורפולוגיה ומבנה של סיליקה mesoporous intercalated הזהב. התוצאות הראו מבנה יציב של סיליקה mesoporous לאחר עיבור זהב. באמצעות החמצון של נזיל אלכוהול כתגובת benchmark, חומרי GMS הראו גבוהה אין תמיכה בבחירהtivity ומחזור.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כטכנולוגיה מתפתחת שיש פוטנציאל גדול ביישומי קטליזה, חומרים ננומטריים קיבלו ריבית מחקר אינטנסיבית בעשורים האחרונים. בין זרזי ננו דיווחו, זרזי מתכת אצילים כגון Au, Ag, פ"ד ו Pt משכו תשומת לב עולמית 1-3. תגובות קטליטי בחרו לכלול את החמצון של פחמן חד חמצני על חוקרי Au, תגובה לעזאזל על זרזי PD, ופיצול מים עם Pt. למרות הפוטנציאל המבטיח קטליטי, זהב ננו מוגבל בתחולתו בשל שחרור משרות מהרעלה, coking, השפלה תרמית, וsintering. זה כבר דווח כי זהב, כנציג למתכות אצילות, יש סלקטיביות גבוהה והוא נוטה פחות שטיפת מתכת, הרעלה עצמית על-חמצון, ו -4. עם זאת, הביצועים הקטליטית של זהב מאוד תלויים בגודל החלקיקים. אל Haruta et. דיווח הקשר בין ביצועים וללכת קטליטיקוטר LD אשכול, הממחיש את הפעילות הגבוהה ביותר של זרזי זהב עם גודל חלקיקים ~ 2.7 5 ננומטר.

גודל החלקיקים של מתכות אצילות יכול להיות נשלט על ידי שיטת הכנת 6-9; עם זאת, המכשול העיקרי ליישום רחב נשאר צבירה והפסד של פעילות. כדי לפתור את הבעיה של sintering, שיטה נפוצה היא לשתק חלקיקים ננומטריים על חומר תמיכה. חומרי תמיכה שונים יושמו כולל סיליקה הנקבובית 10-11, תחמוצות מתכת מוליכים למחצה 12-13, פולימרים 14, גרפן 15 וצינורות פחמן 16. בין החומרים המשמשים, סיליקה הנקבובית הוא חומר אטרקטיבי כתמיכה כי זה רק במתינות חומצי, אדיש יחסית, תרמית וכימית יציב, ויכול להיות מוכן עם מוגדר היטב מאוד meso- / מיקרו-נקבוביות. המבנה הנקבובי מספק תמיכה טובה לחלקיקי מתכת, אלא גם מקנה גישת מצע סלקטיבי גודל לזרזי המתכת. סלקטיביות זו מבטיחה במיוחד בגלל tunability קשור עם חומרים נקבוביים אלה. לעתים קרובות, חלקיקי זהב נמצאים להיות מאוד נייד על משטחי סיליקה 17-18 וקלות ליצור חלקיקים גדולים מאוד (50 + ננומטר) בלתי-עת חשיפה לטמפרטורות גבוהות, ובכך הופכים אותו קשה להכין חלקיקי זהב על סיליקה 19. Mukherjee et al. חוסר תנועה מדווחת של חלקיקי זהב monodispersed על MCM-41 סיליקה mesoporous על ידי 3-aminopropyl-trimethoxysilane ו 3-mercaptopropyl-triethoxysilane, וחלקיקי זהב הנתמכים נמצא פעיל מאוד לתגובות הידרוגנציה ואין שטיפה של זהב נמצאה בתגובה 20.

בעקבות הדו"ח של שינוי של סיליקה mesoporous משטח, שדיווחנו שיטה להכין זהב intercalated לתוך הקיר של סיליקה mesoporous (GMS). בנוסף, הגישה סיליקה mesoporous נתמכת מציעה AP מדרגיproach לפוטנציאל באופן עצמאי לשנות את הזרז וסביבה נקבובית. מאז תהליכים קטליטיים הם בעלי חשיבות כלכלית חיונית, היתרונות יכולים להיות מרחיקת לכת. היכולת לפתח תהיה זרזים "ירוקים" השפעה חיובית עמוקה על הסביבה ולשפר את יעילות היתכנות ומשאב הכלכלית של תהליכים תעשייתיים חשובים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. הכנת GMS

  1. להשתמש בכל הכימיקלים בתהליך הבא כפי שהתקבל.
  2. הכן 75 מיליליטר של 2 מ 'של חומצה הידרוכלורית פתרון (HCl). שוקל 2.0 גרם של פולי (אתילן גליקול) -block-פולי (אתילן גליקול) (פרופילן גליקול) -block-פולי (P123, MW = 5,800) ולהעביר לתוך 75 מיליליטר מוכן של 2 פתרון M HCl. ב RT, חל ערבוב מגנטי לפתרון במהירות של 350 r / min עד P123 הוא נמס לגמרי. הפתרון יהיה ברור.
  3. לשקול 4 גרם של tetraethoxysilane (Teos, MW = 208.33) בבקבוקון קטן והעברה 180 μl של Bis [3 (triethoxysilyl) propyl] -tetrasulfide (TESPTS, MW = 538.94) לתוך הבקבוקון. לאט לנער את הבקבוקון לערבב שני חומרים כימיים. בבקבוקון נוסף, שוקל 38 מ"ג של חומצת chloroauric (4 HAuCl, 99.90%) ולפזר ב 1 מיליליטר של מים DI.
  4. להגדיל את טמפרטורת פתרון P123 עד 35 מעלות צלזיוס באמבט שמן עם השליטה תרמי בטמפרטורה.
  5. להוסיף את כל התערובת של TEOS וTESPTS מוכן בשלב 1.3 לפתרון P123, ולשמור על הפתרון בבחישה מגנטית נמרצת של 700 r / min. שמור את פתרון ערבוב במשך 2 דקות, ולאחר מכן להוסיף את כל פתרון HAuCl 4 ערוכים dropwise 1.3 הצעד בתוך 30 שניות.
  6. שמור את פתרון ערבוב ב 700 r / min למשך 24 שעות ב 35 מעלות צלזיוס.
  7. לאחר 24 שעות, להעביר את הפתרון לתוך בקבוק וחנות אטום בתנור בחום של 100 מעלות צלזיוס במשך 72 שעות. זה נקרא עיבוד הידרותרמיות.
  8. לאחר העיבוד הידרותרמיות, לסנן את הפתרון עם נייר סינון המס '1 ולחץ שלילי במשפך, ולאחר מכן לשטוף במים שתי פעמים ושלוש פעמים אתנול להסיר נותר HCl. במהלך כל תהליך כביסה, להוסיף 1 סנטימטר מים או אתנול מעל מוצק ולחכות לחומר להתייבש.
  9. העבר את המשקעים מסינון לכור היתוך ויתכלה קרמיקה ב 550 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות. הגדר את תכנית הרמפה כדלקמן: C עד 25 ° 550 מעלות צלזיוס במשך שעה 2, לשמור ב 550 מעלות צלזיוס למשך 4שעות, ולאחר מכן לאפשר את המדגם כדי להישאר בתנור עם הדלת סגורה עד שהטמפרטורה יורדת מתחת 40 מעלות צלזיוס.
  10. לאחר calcination, להעביר את המוצר לבקבוקון זכוכית עם מרית פלסטיק. יש חומר מסונתז צבע אדום.

2. תגובה קטליטי, חמצון של נזיל אלכוהול

  1. מאז החמצון של נזיל אלכוהול הוא תגובה נוזלית שלב ללא ממס נפרד, מדד 5 מיליליטר של נזיל אלכוהול (99.8%) ולהעביר אותו לבקבוק 25 מיליליטר שלושה-צוואר, אז לשקול 10 מ"ג של זרז GMS וזה כדי להוסיף נזיל אלכוהול.
  2. הגדר את אמבטיה שמן בטמפרטורה מבוקרת עם ערבוב מגנטי כדי להבטיח שליטה מדויקת ואחידה של טמפרטורת התגובה.
  3. שים את הבקבוק עם נזיל אלכוהול וזרז לאמבטיה השמן, ולאחר מכן קבע את הטמפרטורה ל 100 מעלות צלזיוס ומערבבים ב150 r / min.
  4. זרימת גז חמצן עם טוהר 99.9% לבקבוק ב 2 מיליליטר / דקה בשליטת זרימה המונית בקר.
  5. כאשרטמפרטורה של האמבט השמנים מגיעה ל -100 מעלות צלזיוס ותתייצב, להציג גז חמצן לתוך בקבוק שלושה צוואר.
  6. שמור את קצב זרימה קבוע וטמפרטורת חמצן, ומאפשר התגובה להמשיך במשך 6 שעות.
  7. לאחר התגובה, לסנן את המוצר עם נייר סינון המס '1. אסוף את השלב הנוזלי ולהעביר aliquot לבקבוקון גז כרומטוגרפיה (GC). בבקבוקון GC, לערבב חומצה אצטית הכיתה HPLC ארבעה חלקים לכל מדגם חלק אחד (לדוגמא, להשתמש 36 מדגם μl וμl 144 חומצה אצטית.) שים את הבקבוקון על סמפלר אוטומטי גז כרומטוגרף לניתוח. לשטוף את המשקע המוצק על נייר הסינון עם מים די ואתנול אז לאפשר לו להתייבש באוויר. לאסוף את מוצק מיובש עם מרית כזרז ממוחזר.
  8. חזור על אותו הליך הניסוי מצעד 2.3 באמצעות 2.7 עם זרז ממוחזר שלוש פעמים. בכל חוזר, להתאים את כמות אלכוהול בנזיל כדי להתאים את היחס המתואר בשלב 2.2.

3. Thermal הטיפול בGMS לבדיקה של יציבות תרמית

  1. שוקל שלוש מנות של 300 מ"ג נפרדים של GMS מסונתז, ולאחסן אותם בצלוחיות זכוכית. אלה מסומנים כיצוו 1, 2 ויצוו אצווה אצווה 3. שמרו 1 כקבוצת ביקורת, ולשים אצווה 2 ותצוו 3 לכבשן לעיבוד תרמי.
  2. תכנית התנור כדלקמן לעיבוד ב 400 מעלות צלזיוס: רמפה מ -25 מעלות צלזיוס עד 400 מעלות צלזיוס בשעות 0.5, לשמור ב 400 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות, לאפשר את המדגם כדי להישאר בתנור עם הדלת סגורה עד למפלים הטמפרטורה להלן 40 ° C. שים אצווה 2 בכור היתוך ולהפעיל את התכנית.
  3. תכנית התנור כדלקמן לעיבוד ב 650 מעלות צלזיוס: רמפה מ -25 ° C עד 650 ° C בשעה 0.75, לשמור על 650 מעלות צלזיוס למשך 4 שעות, לאפשר את המדגם כדי להישאר בתנור עם הדלת סגורה עד שהטמפרטורה יורדת מתחת 40 מעלות צלזיוס. שים אצווה 3 בכור היתוך ולהפעיל את התכנית.

4. אפיוןשל GMS חומרי 21,22

  1. על מכשיר physisorption, דגה GMS חומרים עם התכנית הבאה: 90 מעלות צלזיוס למשך 60 דקות ולאחר מכן 350 מעלות צלזיוס במשך 480 דקות. הפעל ניתוח מלא האיזותרמה על חומרי degased לקבל נתונים physisorption.
  2. לפזר מדגם GMS ברשת TEM פחמן מחוררת 200-רשת ולבחון את הדגימה תחת מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים. להגביל הגדלה תחת 44,000X כדי להגן על החומר.
  3. XRD לרוץ עם קרינת Cu Kα (λ = 1.5418 א). מתח סט צינור של 45 קילו וולט, וזרם צינור של 40 מילי-אמפר. לאסוף עוצמה בטווח 2θ בין 10 ° -90 ° ועם גודל צעד של 0.008 מעלות וזמן מדידה של 5 שניות בכל שלב.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

שיטה זו משמשת להשוואת הרמות של סינתזת heme בנורמלי (HBEC30KT) לעומת סרטן תאים (HCC4017) ריאות. איור 2 מראה על רמה גבוהה יותר של סינתזת heme בתאי סרטן (HCC4017) מאשר בתאים רגילים ריאות (HBEC30KT). רמת סינתזת heme נמדדה גם בתאים נורמלים וסרטניים בנוכחות ציאניד קרבוניל uncoupler 3-chlorophenylhydrazone המיטוכונדריה (CCCP). תאים שטופלו עם CCCP 10 מיקרומטר למשך 24 שעות לפני המדידה של רמות סינתזת heme. כצפוי, הרמות של סינתזת heme (איור 2) ירד בנוכחות CC...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בתוך פרוטוקול הסינתזה, תשומת לב לריכוז חומרים פעילי שטח, pH של טמפרטורת פתרון ותגובה היא קריטית להיווצרות המוצלחת של GMS. השלבים הקריטיים הם 1.2, 1.3, 1.4 ו -1.6. הפרמטרים שהוזכרו לעיל לשלוט פרמטר הקריטי אריזה ושלב של מיצלות נוצרה מחומרים פעילי שטח. השלב והמורפולוגיה של micelle קובעים את המצב הסופי של מטריקס סיליקה, המשמש כמסגרת לGMS. כמו כן חשוב בתהליך ההיווצרות הוא הרצף והזמן להוסיף פתרון HAuCl. TEOS וTESPTS לפעול כסוכן שינוי מקור סיליקה ופני שטח, בהתאמה. הוספת שני הכימיקלים מבט...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מודים למענק CHE-1214068 של הקרן הלאומית למדע על תמיכתם בפרויקט מחקר זה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
פולי(אתילן גליקול)-בלוק-פולי(פרופילן גליקול)-בלוק-פולי(אתילן גליקול)-בלוק-פולי(אתילן גליקול)אולדריץ'435465-250 מ"ל
טטרה-אתוקסיסילןTCI201-083-8
ביס[3-(טריאתוקסיסיליל)פרופיל]-טטרה-סולפידג'לסטSIB1825.0-100 גרם
חומצה כלורואוריתאולדריץ'520918-1G
בנזיל אלכוהולסיגמא-אולדריץ'305197-1L
פיזיסורפציה של חנקןמיקרומריטיקהטריסטאר II
עקיפה של קרני רנטגןפיליפסX'Pert Pro
מיקרוסקופ אלקטרונים שידורפיליפסCM200
כרומטוגרפיית גזShimadzuGC-2010

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Liguras, D. K., Kondarides, D. I., Verykios, X. E. Production of hydrogen for fuel cells by steam reforming of ethanol over supported noble metal catalysts. Appl. Catal. B-Environ. 43 (4), 345-354 (2003).
  2. Gelin, P., Primet, M. Complete oxidation of methane at low temperature over noble metal based catalysts: a review. Appl. Catal. B-Environ. 39 (1), 1-37 (2002).
  3. Lu, S. F., Pan, J., Huang, A. B., Zhuang, L., Lu, J. T. Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105 (52), 20611-20614 (2008).
  4. Ma, C. Y., et al. Catalytic oxidation of benzyl alcohol on Au or Au–Pd nanoparticles confined in mesoporous silica. Applied Catalysis B: Environmental. 92 (1-2), 202-208 (2009).
  5. Bamwenda, G. R., Tsubota, S., Nakamura, T., Haruta, M. The influence of the preparation methods on the catalytic activity of platinum and gold supported on TiO2 for CO oxidation. Catalysis Letters. 44 (1-2), 83-87 (1997).
  6. Brown, K. R., Walter, D. G., Natan, M. J. Seeding of colloidal Au nanoparticle solutions. 2. Improved control of particle size. 12 (2), 306-313 (2000).
  7. Niesz, K., Grass, M., Somorjai, G. A. Precise control of the Pt nanoparticle size by seeded growth using EO13PO30EO13 triblock copolymers as protective agents. Nano Lett. 5 (11), 2238-2240 (2005).
  8. Yuranov, I., et al. Pd/SiO2 catalysts: synthesis of Pd nanoparticles with the controlled size in mesoporous silicas. J. Mol. Catal. A-Chem. 192, 1-2 (2003).
  9. Brinas, R. P., Hu, M. H., Qian, L. P., Lymar, E. S., Hainfeld, J. F. Gold nanoparticle size controlled by polymeric Au(I) thiolate precursor size. J. Am. Chem. Soc. 130 (3), 975-982 (2008).
  10. Zhu, H. G., Liang, C. D., Yan, W. F., Overbury, S. H., Dai, S. Preparation of highly active silica-supported Au catalysts for CO oxidation by a solution-based technique. J. Phys. Chem. B. 110 (22), 10842-10848 (2006).
  11. Gabaldon, J. P., Bore, M., Datye, A. K. Mesoporous silica supports for improved thermal stability in supported Au catalysts. Top. Catal. 44 (1-2), 253-262 (2007).
  12. Li, F. B., Li, X. Z. The enhancement of photodegradation efficiency using Pt-TiO2 catalyst. Chemosphere. 48 (10), 1103-1111 (2002).
  13. Sakthivel, S., et al. Enhancement of photocatalytic activity by metal deposition: characterisation and photonic efficiency of Pt, Au and Pd deposited on TiO2 catalyst. Water Res. 38 (13), 3001-3008 (2004).
  14. Jia, C. G., Wang, Y. P., Feng, H. Y. Preparation and Catalytic Properties Of Polymer-Supported Fe-Co-Cu And Fe-Co-Au Pentametallic Clusters. React. Polym. 18 (3), 203-211 (1992).
  15. Yu, X. Q., et al. Reduced graphene oxide supported Au nanoparticles as an efficient catalyst for aerobic oxidation of benzyl alcohol. Appl. Surf. Sci. 280, 450-455 (2013).
  16. Xu, Y. Y., et al. Au@Pt core-shell nanoparticles supported on multiwalled carbon nanotubes for methanol oxidation. Catal. Commun. 13 (1), 54-58 (2011).
  17. Baker, C. O., et al. Size Control of Gold Nanoparticles Grown on Polyaniline Nanofibers for Bistable Memory Devices. ACS Nano. 5 (5), 3469-3474 (2011).
  18. Wei, G. -T., Yang, Z., Lee, C. Y., Yang, H. Y., Wang, C. R. Aqueous−Organic Phase Transfer of Gold Nanoparticles and Gold Nanorods Using an Ionic Liquid. J. Am. Chem. Soc. 126 (16), 5036-5037 (2004).
  19. Gadenne, B., Hesemann, P., Moreau, J. E. Supported ionic liquids: ordered mesoporous silicas containing covalently linked ionic species. Chemical Communications. 15, 1768-1769 (2004).
  20. Yang, J. H., et al. Understanding preparation variables in the synthesis of Au/Al2O3 using EXAFS and electron microscopy. Applied Catalysis A: General. 291 (1-2), 73-84 (2005).
  21. Chen, L. F., et al. Intercalation of aggregation-free and well-dispersed gold nanoparticles into the walls of mesoporous silica as a robust ‘green’ catalyst for n-alkane oxidation. Journal of the American Chemical Society. 131, 914-915 (2009).
  22. Wang, X., et al. Nanoscale gold intercalated into mesoporous silica as a highly active and robust catalyst. Nanotechnology. 23, 294010-294018 (2012).
  23. Chen, L. F., et al. Controlled synthesis of nanoscale icosahedral gold particles at room temperature. Chemcatchem. 4, 1662-1667 (2012).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

XTEM

מאמרים קשורים