Name: 合成とメソポーラスシリカの壁に金インターカレーの触媒性能 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2015-07-09T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 2 s
Description: 学ぼう、ソルゲル法による金ナノ粒子を壁にインターカレーションしたメソポーラスシリカの合成プロトコル。触媒材料の熱安定性と再利用性を向上させる革新的な材料科学手法を習得する。

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著者は、この研究プロジェクトを支援するための全米科学財団の助成金CHE- 1214068に感謝します。

GMSの調製<ol><li>受け取った次のプロセスですべての化学物質を使用してください。 </li><li>塩酸（HCl）溶液を2 Mの75ミリリットルを準備します。ポリ（エチレングリコール）を2.0gを秤量 - ブロック - ポリ（プロピレングリコール） - ブロック - ポリ（エチレングリコール）（P123、MW = 5,800）および2MのHCl溶液の調製75ミリリットルに移します。 P123が完全に溶解するまで室温で、350 R /分の速度で溶液を磁気攪拌を適用します。溶液は透明になります。 </li><li>小瓶転送ビスの180μlのテトラエトキシシランの4グラム（TEOS、MW = 208.33）を計量[3-（トリエトキシシリル）プロピル] - テトラスルフィド（TESPTS、MW = 538.94）をバイアルに。ゆっくりと2種類の化学物質を混合するために、バイアルを振ります。別のバイアルでは、塩化金酸38mgの（のHAuCl 4、99.90パーセント）を計量し、脱イオン水1mlに溶解します。 </li><li>熱電対によって制御された温度で油浴中で35℃にP123液の温度を上昇させます。 </li><li> TEOSの混合物のすべてを追加し、TESPTSはP123溶​​液にステップ1.3で調製し、700 R /分の激しい磁気撹拌で溶液を維持します。 2分間攪拌し、溶液を維持し、その後、30秒以内にステップ1.3を滴下で製造したのHAuCl 4溶液のすべてを追加します。 </li><li> 35℃で24時間、700 /分（rpm）で撹拌し、溶液を保管してください。 </li><li> 24時間後、72時間、100℃に設定したオーブンで密封されたボトルとストアにソリューションを転送します。これは、熱水処理と呼ばれています。 </li><li>熱水処理の後、残ったHClを除去するために二度、エタノールを水で3回洗浄し、その後、漏斗の下＃1濾紙負圧で溶液を濾過します。各洗浄工程の間、固体の上に水またはエタノール1cmに追加して、材料が乾燥するのを待ちます。 </li><li> 4時間550℃でセラミック坩堝や焼物に濾過からの沈殿を転送します。 25°Cを550℃に2時間、4、550℃で保つ次のようランププログラムを設定します時間は、その後、温度が40℃を下回るまで、ドアを閉じた状態で試料を炉内に残ることができます。 </li><li>焼成後、プラスチックスパチュラでガラスバイアルに製品を移します。合成された物質は、赤色を有します。 </li></ol> 2.触媒反応、ベンジルアルコールの酸化<ol><li>ベンジルアルコールの酸化は、別々の無溶媒液相反応でベンジルアルコールの尺度5ミリリットル（99.8％）、25 mlの三つ口フラスコにそれを転送するので、次にGMS触媒10mgを秤量し、それがベンジルに追加アルコール。 </li><li>反応温度の正確かつ均一な制御を確実にするために、磁気撹拌しながら、温度制御された油浴を設定します。 </li><li>油浴中にベンジルアルコール及び触媒をフラスコに入れ、次いで100℃に温度を設定し、150 R /分で撹拌。 </li><li>マスフローコントローラにより制御2ml /分でフラスコに99.9％の純度を有する酸素ガスフロー。 </li><li>いつ油浴の温度が100℃に達し、安定化、三口フラスコ内に酸素ガスを導入します。 </li><li>酸素流量と温度を一定に維持し、反応を6時間進行させます。 </li><li>反応後、＃1の濾過紙で製品をフィルタリングします。液相を収集し、ガスクロマトグラフィー（GC）バイアルにアリコートを移します。 GCバイアル中で、一人一人の部分のサンプルについて四つの部分のHPLCグレードの酢酸を混合（例えば、36μlのサンプルと144μlの酢酸を使用しています。）分析のためのガスクロマトグラフのオートサンプラーにバイアルを置きます。 DI水とエタノールでろ紙上に固体沈殿物を洗い流した後、空気中で乾燥させます。リサイクル触媒としてスパチュラで乾燥した固体を収集します。 </li><li>リサイクル触媒と2.7を介してステップ2.3から3回同じ実験手順を繰り返します。各繰り返しにおいて、ステップ2.2に記載の比率と一致するように、ベンジルアルコールの量を調整します。 </li></ol> 3. THER熱安定性の試験のためのGMSの発作治療<ol><li>合成されたGMSの3つの別々の300mgの部分を計量し、ガラスバイアルに保存します。これらは、対照群として、バッチ1、バッチ2及びバッチ3キープバッチ1としてマークされ、熱処理炉にバッチ2及びバッチ3を入れています。 </li><li>プログラム400℃での処理のために次のように炉：、0.5時間で400℃まで25℃から上昇4時間400℃で維持し、ドアが温度低下するまで閉じた状態の試料を炉内に残ることを可能40℃以下。るつぼにバッチ2を入れて、プログラムを起動します。 </li><li> 650℃での処理のために次のように炉プログラム：ドアを閉じた状態で温度を下回るまで、650°Cまで25°Cからランプを0.75時間では、4時間650℃で維持するには、試料を炉中に残存することを可能にします40°C。るつぼにバッチ3を入れ、プログラムを起動します。 </li></ol> 4.特性GMS材料21,22の<ol><li> 60分間の90℃、480分間、次いで350°C：物理吸着装置で、ドガは、以下のプログラムを有する材料をGMS。物理吸着データを取得するために脱気した材料でフル等温線分析を実行します。 </li><li> 200メッシュ穴あき炭素TEMグリッド上にGMS試料を分散し、透過型電子顕微鏡でサンプルを観察します。材料を保護するために44,000X下倍率を制限します。 </li><li> CuKα線（λ= 1.5418オングストローム）を使用して実行XRD。セット45 kVの管電圧、および40ミリアンペアの管電流。 0.008°のステップサイズと各ステップで5秒の測定時間で10°と90°の間の2θ範囲内の強度を収集します。 </li></ol>

<ol><li>Liguras, D. K., Kondarides, D. I., Verykios, X. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Production+of+hydrogen+for+fuel+cells+by+steam+reforming+of+ethanol+over+supported+noble+metal+catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Catal.+B-Environ%22%5BJournal%5D)">Production of hydrogen for fuel cells by steam reforming of ethanol over supported noble metal catalysts.</a> Appl. Catal. B-Environ. 43 (4), 345-354 (2003).</li>
<li>Gelin, P., Primet, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Complete+oxidation+of+methane+at+low+temperature+over+noble+metal+based+catalysts%3A+a+review%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Catal.+B-Environ%22%5BJournal%5D)">Complete oxidation of methane at low temperature over noble metal based catalysts: a review.</a> Appl. Catal. B-Environ. 39 (1), 1-37 (2002).</li>
<li>Lu, S. F., Pan, J., Huang, A. B., Zhuang, L., Lu, J. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alkaline+polymer+electrolyte+fuel+cells+completely+free+from+noble+metal+catalysts%5BTitle%5D)+AND+%22Proc.+Natl.+Acad.+Sci.+U.+S.+A%22%5BJournal%5D)">Alkaline polymer electrolyte fuel cells completely free from noble metal catalysts.</a> Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 105 (52), 20611-20614 (2008).</li>
<li>Ma, C. Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Catalytic+oxidation+of+benzyl+alcohol+on+Au+or+Au%E2%80%93Pd+nanoparticles+confined+in+mesoporous+silica%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Catalysis+B%3A+Environmental%22%5BJournal%5D)">Catalytic oxidation of benzyl alcohol on Au or Au–Pd nanoparticles confined in mesoporous silica.</a> Applied Catalysis B: Environmental. 92 (1-2), 202-208 (2009).</li>
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<li>Yuranov, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Pd%2FSiO2+catalysts%3A+synthesis+of+Pd+nanoparticles+with+the+controlled+size+in+mesoporous+silicas%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Mol.+Catal.+A-Chem%22%5BJournal%5D)">Pd/SiO2 catalysts: synthesis of Pd nanoparticles with the controlled size in mesoporous silicas.</a> J. Mol. Catal. A-Chem. 192, 1-2 (2003).</li>
<li>Brinas, R. P., Hu, M. H., Qian, L. P., Lymar, E. S., Hainfeld, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gold+nanoparticle+size+controlled+by+polymeric+Au%28I%29+thiolate+precursor+size%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Gold nanoparticle size controlled by polymeric Au(I) thiolate precursor size.</a> J. Am. Chem. Soc. 130 (3), 975-982 (2008).</li>
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<li>Yu, X. Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reduced+graphene+oxide+supported+Au+nanoparticles+as+an+efficient+catalyst+for+aerobic+oxidation+of+benzyl+alcohol%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Reduced graphene oxide supported Au nanoparticles as an efficient catalyst for aerobic oxidation of benzyl alcohol.</a> Appl. Surf. Sci. 280, 450-455 (2013).</li>
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<li>Baker, C. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Size+Control+of+Gold+Nanoparticles+Grown+on+Polyaniline+Nanofibers+for+Bistable+Memory+Devices%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Size Control of Gold Nanoparticles Grown on Polyaniline Nanofibers for Bistable Memory Devices.</a> ACS Nano. 5 (5), 3469-3474 (2011).</li>
<li>Wei, G. -T., Yang, Z., Lee, C. Y., Yang, H. Y., Wang, C. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Aqueous%E2%88%92Organic+Phase+Transfer+of+Gold+Nanoparticles+and+Gold+Nanorods+Using+an+Ionic+Liquid%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Am.+Chem.+Soc%22%5BJournal%5D)">Aqueous−Organic Phase Transfer of Gold Nanoparticles and Gold Nanorods Using an Ionic Liquid.</a> J. Am. Chem. Soc. 126 (16), 5036-5037 (2004).</li>
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<li>Yang, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Understanding+preparation+variables+in+the+synthesis+of+Au%2FAl2O3+using+EXAFS+and+electron+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Catalysis+A%3A+General%22%5BJournal%5D)">Understanding preparation variables in the synthesis of Au/Al2O3 using EXAFS and electron microscopy.</a> Applied Catalysis A: General. 291 (1-2), 73-84 (2005).</li>
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<li>Wang, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+gold+intercalated+into+mesoporous+silica+as+a+highly+active+and+robust+catalyst%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Nanoscale gold intercalated into mesoporous silica as a highly active and robust catalyst.</a> Nanotechnology. 23, 294010-294018 (2012).</li>
<li>Chen, L. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlled+synthesis+of+nanoscale+icosahedral+gold+particles+at+room+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Chemcatchem%22%5BJournal%5D)">Controlled synthesis of nanoscale icosahedral gold particles at room temperature.</a> Chemcatchem. 4, 1662-1667 (2012).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

合成プロトコル内では、界面活性剤濃度、溶液のpH、反応温度への配慮は、GMSの成功形成に重要です。重要なステップは、1.2、1.3、1.4および1.6です。上記のパラメータは、界面活性剤から形成されたミセルの臨界充填パラメータと位相を制御します。ミセルの位相および形態は、GMSのためのフレームワークとして機能するシリカマトリックスの最終状態が決定されます。また、形成プロセスにおいて重要なのHAuCl溶液を添加する順序および時間です。 TEOSとTESPTSはそれぞれ、シリカ源と表面改質剤として作用します。 2種類の化学物質を追加すると、最初のミセルへのシリカの適切な重合を確実にし、さらに金ナノクラスターを形成するために金原子を誘致するシリカ壁の中に硫黄結合が組み込まれています。適切な順序とタイミングは金粒子ではなく、表面に分散のシリカマトリックスの壁中に挿入されることを確認します。 このアプローチにはGMSの合成は、メソポーラスシリカ担体に金粒子を固定化する新しいパラダイムを提供します。 GMSは、大きな熱安定性、高い触媒活性と優れたリサイクル性を示すように、この材料は、バッチ生産...

触媒用途において大きな可能性を秘めている新興技術として、ナノスケール材料は、過去数十年間で集中的な研究の関心を受けています。報告されたナノスケールの触媒の中で、例えば、Au、Ag、PdおよびPtのような貴金属触媒は、ワールドワイド1-3注目を集めています。触媒反応を選択したPtとPdを触媒上のAu、ヘック反応、および水分解の一酸化炭素の研究者の酸化が含まれます。有望な触媒の可能性にもかかわらず、ナノスケール金が原因で中毒、コーキング、熱分解、焼結から不活性化への適用に限定されています。それは金、貴金属のための代表として、高い選択性を有することが報告と金属浸出、過酸化、および自己中毒4にくいされています。しかし、金の触媒性能が強く、粒子サイズに依存します。春田らは、触媒性能との関係を報告して行きましたLDクラスター径、粒径2.7nmで5〜に金触媒の最高活性を示します。 貴金属の粒子径は、製造方法6-9により制御することができます。しかし、幅広いアプリケーションへの大きな障害は、凝集および活性の喪失のまま。焼結の問題を解決するために、一般的な方法は、支持体材料上にナノ粒子を固定化することです。様々な担体材料は、ポリマー14、金属酸化物を12〜13を半導体、多孔質シリカ10〜11を含むグラフェン15カーボンナノチューブ16が適用されています。それは、熱的および化学的に安定した比較的不活性な、唯一の弱酸性であり、非常に明確に定義されたメソ/ミクロ多孔度を用いて調製することができるので、使用される材料の中でも、多孔質シリカが支持体として魅力的な材料です。多孔質構造は、金属粒子のための優れたサポートを提供していますが、またのサイズ選択的基質へのアクセスを付与します金属触媒。この選択は、これらの多孔質材料に関連同調性の特に有望です。多くの場合、金粒子は、このように、それが困難なシリカ19に金ナノ粒子を調製すること、シリカの表面17-18上で非常に移動可能であり、容易に高温に曝されたときに、非常に大きな（50+ nm）の非反応性粒子を形成することが見出されています。ムカジーらは、3-アミノプロピルトリメトキシシラン及び3-メルカプトプロピル-トリエトキシシランによりメソポーラスシリカMCM-41上に単分散金ナノ粒子の固定化を報告し、担持された金ナノ粒子を水素化反応に高活性であることが見出され、金のない浸出が認められませんでした反応20で。 メソポーラスシリカの表面改質の報告に続いて、我々は、金を調製するための方法メソポーラスシリカ（GMS）の壁にインターカレートを報告しました。また、メソポーラスシリカ担持アプローチは、スケーラブルなAPを提供しています潜在的に独立して触媒と多孔質環境を変更するローチ。触媒プロセスは、重要な経済的に重要であるので、メリットは広範囲に及ぶ可能性があります。 「グリーン」触媒を開発する能力は、環境に多大なプラスの影響を与える、重要な工業プロセスの経済性とリソース効率を向上させることになります。

<table><tbody><tr><td>ポリ(エチレングリコール)-ブロック-ポリ(プロピレングリコール)-ブロック-ポリ(エチレングリコール)</td><td>Aldrich</td><td>435465-250ML</td><td></td></tr><tr><td>テトラエトキシシラン</td><td>TCI</td><td>201-083-8</td><td></td></tr><tr><td>ビス[3-(トリエトキシシリル)プロピル]-テトラスルフィド</td><td>GELEST</td><td>SIB1825.0-100GM</td><td></td></tr><tr><td>クロロアウリン酸</td><td>Aldrich520918-1G</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ベンジルアルコール</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>305197-1L</td><td></td></tr><tr><td>窒素 physorption</td><td>Micromeritics</td><td>Tristar II</td><td></td></tr><tr><td>X線回折</td><td>Philips</td><td>X'Pert Pro</td><td></td></tr><tr><td>透過型電子顕微鏡</td><td>Philips</td><td>CM200</td><td></td></tr><tr><td>ガスクロマトグラフィー</td><td>島津</td><td>製作所 GC-2010</td><td></td></tr></tbody></table>

合成とメソポーラスシリカの壁に金インターカレーの触媒性能

Synthesis and Catalytic Performance of Gold Intercalated in the Walls of Mesoporous Silica

有望な触媒活性ナノリアクターとしては、メソポーラスシリカ（GMS）中に挿入金ナノ粒子を首尾よく合成し、材料の特性を調べました。私たちは、メソポーラスシリカの壁に金ナノ粒子をインターカレートするために、1つのポット、ゾル - ゲル法を使用していました。合成を開始するために、P123は、ミセルを形成するための鋳型として使用しました。その後TESPTS金ナノ粒子をインターカレートする表面改質剤として使用しました。この工程に続いて、TEOSは酸性環境で重合プロセスを行ったシリカ源として添加しました。熱水処理、焼成後、最終生成物を得ました。いくつかの技術が金インターカレーメソポーラスシリカの多孔度、形態および構造を特徴づけるために使用されました。結果は、金のインターカレーション後のメソポーラスシリカの安定した構造を示しました。ベンチマーク反応としてベンジルアルコールを酸化して、GMSの材料は、高いセレクを示しtivityやリサイクル。

この方法は、癌（HCC4017）肺細胞対（HBEC30KT）正常でヘム合成のレベルを比較した。 図2は 、正常肺細胞（HBEC30KT）よりも癌細胞（HCC4017）においてヘム合成のより高いレベルを示しています。ヘム合成のレベルはまた、ミトコンドリアの脱共役カルボニルシアニド3-クロロフェニル（CCCP）の存在下で、正常細胞と癌細胞で測定しました。細胞は、ヘム合成のレベルを測定する前に24時間10μMのCCCPで処理しました。予想されるように、ヘム合成のレベル（ 図2）は、正常細胞と癌細胞の両方におけるCCCPの存在下で減少しました。これは、ヘム合成はクシニルアセトン（SA）、ヘムバイオにおける第二の酵素である5-アミノレブリン酸デヒドラターゼ（ALAD）の強力かつ特異的阻害剤によって阻害され得ることが以前に示されています。合成されたGMS材料は、透過型電子顕微鏡（TEM）、X線回折（XRD）および窒素によって特徴付けました物理吸着。 図1（バッチ1 GMS）に示すように、TE...

ここでは、メソポーラス材料（GMS）の壁に金をインターカレートした金を合成するゾルゲルプロセスのプロトコルを提示します。これは、壁に金がインターカレートされたメソポーラスマトリックスを有し、優れた安定性とリサイクル性を与えることが確認されています。

As a promising catalytically active nano reactor, gold nanoparticles intercalated in mesoporous silica (GMS) were successfully synthesized and properties ...

この手順の全体的な目的は、メソポーラスシリカの壁内にナノ金が組み込まれた新規の触媒材料を合成することです。まず、メソポーラスシリカ形成のテンプレートとして機能する界面活性剤を添加してミセルを形成します。次に、ケイ素源と表面修飾剤を溶液に添加し、最後に金前駆体を滴下することで、ナノ金粒子を生成させます。24時間攪拌した後、溶液をオーブンに移して水熱処理を行います。水熱処理中にシリカが重合してメソポーラス構造を形成し、金前駆体がナノスケールで成長し始めます。最終ステップとして、材料を焼成して残存する界面活性剤を除去し、明確なメソポーラス構造を得ます。最終的に、吸光度測定、X線回折、および透過電子顕微鏡を用いて、金ナノ粒子がメソポーラスシリカの明確な壁構造に組み込まれていることを示します。直接沈殿法などの他の手法に対する本法の主な利点は、ここで合成された材料が非常に高い熱安定性を有することです。一般的に、この手法に不慣れな方は、合成を成功させるために温度や溶液条件のプロセス制御が必要となるため、苦労することがあります。ナノテクノロジーとは、粒子のサイズの変化に伴って材料の特性が変化するナノスケール領域というサイズ領域として定義されます。今回は金ナノ粒子を取り上げますが、金は融点が低く溶けやすい軟らかい金属であるという特性があります。したがって、金に熱安定性を付与できることをここで原理証明できれば、それはあらゆる金属系に適用可能であると考えられます。メソポーラスシリカの壁に金をインターカレーションさせたGMSの調製を開始するには、2.0 gramsのP 1 23を75 millilitersの2 molar塩酸溶液に加えます。室温で、溶液にマグネティックスターラーによる撹拌を行います。P 1 23が完全に溶解し、溶液が透明になるまで350 rotations per minuteの速度で撹拌してください。小型バイアルにTEOS 4 gを加え、続いてT-E-S-P-T-S 180 µLを加えます。バイアルをゆっくりと振って2つの化学物質を混合させます。別のバイアルで、塩化金酸 38 mgを脱イオン水 1 mLに溶解させます。熱電対で温度制御されたオイルバスを用いて、P 1 23溶液の温度を35 °Cまで上げます。次に、TEOSとT-E-S-P-T-Sの混合液すべてをP 1 23溶液に加え、700 rotations per minuteの激しいマグネチックスターリングで攪拌し続けます。溶液を2分間攪拌した後、調製したクロロ有機リジン酸溶液すべてを30秒以内に滴下します。溶液を35 degrees Celsiusで700 rotations per minuteにて24時間攪拌します。24時間後、溶液を密閉瓶に移し、100 °Cに設定したオーブンで72時間保存します。こ

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化学

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合成とメソポーラスシリカの壁に金インターカレーの触媒性能

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