Preparazione di nanoparticelle in lega di palladio d'argento per la catalisi plasmonica sotto illuminazione a luce visibile

Questo protocollo rappresenta la sintesi di nanoparticelle in lega di argento palladio supportate su biossido di zirconio. Facilita la raccolta di energia dall'irradiazione della luce visibile per accelerare e controllare più trasformazioni di colore della luce. Questo metodo consente l'abbinamento delle proprietà plasmoniche e catalitiche di una singola linea di particelle per consentire trasformazioni trivalenti leggere in metalli catalitici che non hanno proprietà plasmoniche.

Questo protocollo può fornire informazioni sulla nanocatalisi, sulla sintesi di nanoparticelle e sulla sintesi di catalizzatori supportati. Può essere applicato per ordinare trasformazioni molecolari in composizioni di nanoparticelle. Per fabbricare nanoparticelle di argento, palladio, zirconio, biossido di carbonio.

Aggiungere 50 millilitri di nitrato d'argento e 9,71 millilitri di tetracloroplatinato di potassio a un becher da 250 millilitri contenente un grammo di biossido di zirconio. Mescolare le soluzioni con una vigorosa agitazione magnetica a 500 giri al minuto a temperatura ambiente per cinque minuti prima di aggiungere 10 millilitri di lisina al becher. Dopo 20 minuti, aggiungere 10 millilitri di una soluzione di boroidrid di sodio appena preparata alla miscela, goccia a goccia, alla velocità di un millilitro al minuto.

Continuare a mescolare il composto per altri 30 minuti a temperatura ambiente, quindi lasciare che la reazione si stabilizzi per una notte. La mattina successiva, dividere la sospensione in diverse provette da centrifuga e separare i solidi dalla miscela mediante centrifugazione. Rimuovere con cautela il surnatante e aggiungere 15 millilitri di acqua deionizzata ai tubi.

Agitare energicamente fino a quando il solido non è stato completamente disperso, mettendo i tubi in un vortice per un minuto per risospendere completamente il materiale secondo necessità. Ripetere il lavaggio di centrifugazione e la risospensione altre due volte come dimostrato utilizzando 15 millilitri di acqua deionizzata per il secondo lavaggio ed etanolo per il terzo. Dopo aver rimosso l'etanolo dall'ultimo lavaggio, asciugare il solido in un forno a 60 gradi Celsius per 24 ore prima di caratterizzare la preparazione di biossido di zirconio d'argento con tecniche elementari e spettroscopiche standard di microscopia.

Per produrre nanoparticelle di biossido di zirconio d'argento, aggiungere 50 millilitri di nitrato d'argento a un becher da 250 millilitri contenente un grammo di polvere di biossido di zirconio sotto una vigorosa agitazione magnetica a temperatura ambiente, aggiungere 10 millilitri di lisina al becher e continuare a mescolare la miscela per altri 20 minuti. Al termine dell'incubazione, aggiungere alla soluzione 10 millilitri di boroidruro di sodio appena preparato, come dimostrato per 30 minuti durante l'incubazione a temperatura ambiente. Per la separazione e la purificazione del catalizzatore, dividere la soluzione in diverse provette da centrifuga e raccogliere i solidi mediante centrifugazione.

Rimuovere con cura la fase liquida e aggiungere 15 millilitri di acqua deionizzata ai tubi per consentire una vigorosa risospensione dei solidi. Centrifugare la soluzione risultante per un ulteriore lavaggio con acqua distillata e uno con etanolo come dimostrato. Dopo aver rimosso l'etanolo, guidare un solido in un forno a 60 gradi Celsius per 24 ore prima di caratterizzare le nanoparticelle di biossido di zirconio d'argento con una varietà di tecniche elementari e spettroscopiche standard di microscopia.

Per studiare le prestazioni del catalizzatore plasmonico sotto illuminazione leggera, aggiungere 30 milligrammi di catalizzatore a un pallone a fondo rotondo da 25 millilitri con una barra di agitazione magnetica e aggiungere cinque millilitri di nitrobenzene 0,03 mole per litro in soluzione di alcol isopropilico. Aggiungere 11,22 milligrammi di polvere di idrossido di potassio al pallone e far bollire questa sospensione con un flusso di argon per un minuto per spurgare il reattore. Subito dopo lo spurgo, posizionare il pallone sigillato in un bagno d'olio a 70 gradi Celsius sopra un agitatore magnetico a temperatura controllata a 500 giri al minuto.

Utilizzare quattro lampade a LED con una lunghezza d'onda di 427 nanometri e un'intensità luminosa di 0,5 watt per centimetro quadrato posizionate esattamente a sette centimetri di distanza dal pallone per irradiare la soluzione. E lasciare che la reazione proceda per 2,5 ore a 70 gradi Celsius sotto una vigorosa agitazione magnetica. Al termine dell'incubazione, spegnere le luci e utilizzare una siringa e un ago per raccogliere un campione da un millilitro dal reattore aperto.

Quindi filtrare il campione attraverso un filtro da 0,45 micron in una fiala per cromatografia in vetro per rimuovere il particolato del catalizzatore. Per indagare le prestazioni del catalizzatore plasmonico in assenza di radiazioni più leggere eseguire l'analisi come appena dimostrato ma con il contenitore di reazione avvolto con un foglio di alluminio per proteggerlo dalla luce. Per l'analisi gascromatografica preparare 10 millilitri di soluzione di alcol isopropilico contenente circa 30 millimoli per litro di nitrobenzene, 30 millimoli per litro di anilina e 30 millimoli per litro di azobenzene ed eseguire l'analisi gascromatografica sulla soluzione secondo i protocolli standard.

Il metodo scelto dovrebbe essere in grado di separare i picchi corrispondenti all'alcol isopropilico, al nitrobenzene, all'anilina e all'azobenzene nel periodo minimo di tempo di ritenzione illustrato. Una volta scelto il metodo, preparare singole serie di soluzioni di nitrobenzene, anilina o azobenzene da 50, 25, 10, cinque e 2,5 millimolari in alcol isopropilico. Quindi eseguire un'analisi gascromatografica di ciascuna delle soluzioni preparate.

Ciascun cromatogramma deve presentare due picchi, di cui il più alto corrispondente all'alcol isopropilico e il più basso corrispondente al nitrobenzene, all'anilina o all'azobenzene, a seconda dei casi. Per ogni cromatogramma annotare il tempo di ritenzione e l'area del picco di ciascun picco. Quindi tracciare la concentrazione rispetto all'area di picco di ciascun campione per tracciare la curva di calibrazione per determinare la concentrazione di ciascun solvente.

Il biossido di zirconio non presenta divieti nell'intervallo visibile e quindi non dovrebbe contribuire ad alcuna attività fotocatalitica. Un segnale centrato a 428 nanometri può essere rilevato per le nanoparticelle di biossido di zirconio d'argento, mentre le nanoparticelle di biossido di zirconio e palladio d'argento mostrano un picco centrato a 413 nanometri. È difficile identificare le nanoparticelle di argento e palladio mediante microscopia elettronica a scansione, ma la formazione di nanoparticelle con una dimensione media delle particelle di circa 10 nanometri può essere visualizzata mediante microscopia elettronica a trasmissione.

Dopo la reazione, la conversione e selettivamente per la formazione di azobenzene e anilina può essere misurata mediante gascromatografia. In assenza di catalizzatori, non viene rilevata alcuna conversione di nitrobenzene in presenza o assenza di illuminazione luminosa. Per le nanoparticelle di biossido di argento e zirconio non viene rilevata alcuna conversione al buio, mentre si osserva una conversione del 36% sotto eccitazione LSPR.

Viene anche rilevata una selettività del 56% verso l'azobenzene, indicando che l'argento da solo può catalizzare questa reazione sotto eccitazione LSPR. Per le nanoparticelle biometalliche di argento palladio zirconio non viene rilevata alcuna conversione significativa in condizioni di oscurità. È interessante notare che, sotto eccitazione LSPR la conversione è del 63% con una selettività del 73% verso l'azobenzene, dimostrando il potenziale della configurazione metallica non solo per aumentare la conversione sotto eccitazione LSPR, ma anche per controllare selettivamente la reazione.

La reazione è guidata cataliticamente dal palladio e potenziata dall'argento, sotto irradiazione di luce visibile. Pertanto, il controllo della sintesi delle nanoparticelle e la selezione delle lunghezze d'onda della luce per la catalisi sono importanti. Il palladio, il metallo cataliticamente attivo e l'argento, il metallo plasmonicamente attivo, possono essere sostituiti con altri tipi di possibili combinazioni per mirare a diversi tipi di reazioni organiche.