Методическая статья

Синтез и каталитические свойства золота интеркалировании в стенах мезопористого кремния

DOI:

10.3791/52349

⸱

9 июля 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Здесь мы представляем протокол с золь-гель процессом для синтеза золота, интеркалированного в стенках мезопористых материалов (GMS), который, как подтверждено, обладает мезопористой матрицей с золотом, интеркалированным в стенах, что придает большую стабильность и пригодность для вторичной переработки.

Аннотация

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

В перспективных реактора каталитически активного нано, наночастицы золота интеркалированные в мезопористых кремнезема (GMS) были успешно синтезированы и исследованы свойства материалов. Мы использовали подход золь-гель один горшок интеркалировать золотые наночастицы в стенках мезопористого кремнезема. Для начала синтеза, Р123 использовали в качестве матрицы для образования мицелл. Затем TESPTS был использован в качестве поверхностного модифицирующего агента к интеркаляции золотые наночастицы. После этого процесса, был добавлен ТЭОС в качестве источника оксида кремния, которые подверглись процессу полимеризации в кислой среде. После гидротермической обработки и обжига, конечный продукт был приобретен. Некоторые методы были использованы для характеристики пористости, морфологию и структуру золота интеркалированного мезопористого кремнезема. Результаты показали стабильную структуру мезопористого кремнезема после интеркаляции золота. Через окисления бензилового спирта в качестве реакции бенчмарка, то GMS материалы показали высокую SELECтельность и переработки.

Введение

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

Как новая технология, которая имеет большой потенциал в области катализа приложений, наноразмерные материалы прошли интенсивный интерес исследования в последние десятилетия. Среди наномерные катализаторы сообщалось, благородные металлические катализаторы, такие как Au, Ag, Pd и Pt привлекли внимание всего мира 1-3. Выбрать каталитические реакции включают окисление окиси углерода исследователей на Au, Хека реакция на Pd катализаторов и воды расщепление с Pt. Несмотря на перспективном каталитического потенциала, наноразмерных золота ограничено в его применимости в результате дезактивации от отравления, коксование, термический деградации и спекания. Было сообщено, что золото, в качестве представителя благородных металлов, обладает высокой селективностью и менее подвержен выщелачивания металлов, переокисления и самоотравлению 4. Тем не менее, каталитические характеристики золота сильно зависит от размера частиц. Haruta др. Сообщили отношения между каталитической активности и перейтиLD диаметра кластера, демонстрируя высокую активность золотых катализаторов с размером частиц ~ 2,7 нм 5.

Размер частиц благородных металлов можно управлять с помощью способа получения 6-9; Однако, основным препятствием к широкому применению остается агрегации и потере активности. Чтобы решить проблему спекания, общий метод для иммобилизации наноразмерных частиц на материал носителя. Различные вспомогательные материалы были применены в том числе из пористого диоксида кремния 10-11, полупроводниковых оксидов металлов 12-13, полимеров 14, 15 и графена углеродных нанотрубок 16. Среди материалов, используемых, пористый диоксид кремния является привлекательным материалом в качестве носителя, потому что это лишь слегка кислой, относительно инертны, термически и химически стабильными, и могут быть получены с очень хорошо определенной мезо- / микропористости. Пористая структура обеспечивает хорошую поддержку для металлических частиц, но также придает доступ Размер селективного субстрата кметаллические катализаторы. Эта селективность особенно перспективно из-за перестройки частоты, связанные с этими пористых материалов. Часто, частицы золота оказались чрезвычайно мобильны на поверхности кремния 17-18 и легко образуют очень большие (50+ нм) нереакционноспособные частицы при воздействии высоких температур, что делает его трудно, чтобы подготовить наночастиц золота на двуокиси кремния 19. Мукхержи др. Сообщили иммобилизации монодисперсных наночастиц золота на мезопористого оксида кремния МСМ-41 по 3-аминопропил-триметоксисилан и 3-меркаптопропил-триэтоксисиланом и поддерживаемых наночастиц золота оказались очень активным для реакций гидрирования и не было найдено выщелачивание золота в реакции 20.

После доклада модификации поверхности кремния мезопористого, мы сообщили способ получения золота интеркалированный в стену мезопористом кремния (GMS). Кроме того, мезопористый диоксид кремния подход предлагает масштабируемую APгах потенциально независимо изменять катализатор и пористую среду. Так каталитические процессы имеют жизненно важное значение экономического, выгоды могут быть далеко идущие последствия. Способность развивать «зеленые» катализаторы бы глубокое положительное влияние на окружающую среду и улучшить экономическую целесообразность и эффективность ресурсов важных промышленных процессов.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка GMS

  1. Использование всех химических веществ в следующем процессе в полученном виде.
  2. Подготовка 75 мл 2 М раствора соляной кислоты (HCl). Взвешивают 2,0 г поли (этиленгликоль) -блок-поли (пропиленгликоль) -блок-поли (этиленгликоль) (P123, ММ = 5800) и передает в подготовленном 75 мл 2 М раствора HCl. При комнатной температуре, применяют магнитное перемешивание в растворе со скоростью 350 об / мин до тех пор, Р123 полностью не растворится. Решение будет ясно.
  3. Взвешивают 4 г тетраэтоксисилана (ТЭОС, Mw = 208.33) в небольшом флаконе и передачи 180 мкл бис [3- (триэтоксисилил) пропил] -tetrasulfide (TESPTS, ММ = 538,94) в пробирку. Медленно встряхнуть флакон, чтобы смешать два вещества. В другом флаконе, вес 38 мг золотохлористоводородной кислоты (HAuCl 4, 99.90%) и растворить в 1 мл дистиллированной воды.
  4. Повышение температуры Р123 раствора до 35 ° С в масляной бане при температуре, контролируемой термопары.
  5. Добавить все смеси ТЭОС иTESPTS полученного на стадии 1.3 к решению P123, и держать раствор при энергичном перемешивании магнитной мешалкой 700 об / мин. Хранить раствор перемешивали в течение 2 мин, затем добавить все HAuCl 4 раствора, полученного на стадии 1.3 каплям в течение 30 секунд.
  6. Хранить раствор перемешивают при 700 об / мин в течение 24 ч при 35 ° С.
  7. Через 24 часа передачи раствор в закрытом сосуде и хранить в сушильном шкафу при 100 ° С в течение 72 ч. Это называется гидротермальной обработки.
  8. После гидротермической обработки, фильтрации раствора с фильтровальной бумаги # 1 и отрицательного давления под воронку, затем промыть водой два раза и этанола три раза, чтобы удалить остатки HCl. Во время каждого процесса стирки, добавьте воды или этанола на 1 см выше твердой и ждать материал, чтобы высохнуть.
  9. Передача осаждение из фильтрации в керамическом тигле и обжига при 550 ° С в течение 4 ч. Установите программу рампы следующим образом: 25 ° С до 550 ° С в течение 2 ч, держать при температуре 550 ° С в течение 4ч, а затем позволить образец оставаться в печи с закрытой дверью, пока температура не упадет ниже 40 ° C.
  10. После прокаливания переноса продукта в стеклянный флакон с пластмассовым шпателем. Синтезированный материал имеет красный цвет.

2. Каталитическая реакция, окисление бензилового спирта

  1. Поскольку окисление бензилового спирта является реакция в жидкой фазе без отдельного растворителе, мера 5 мл бензилового спирта (99,8%) и передавать его в мл трехгорлую колбу 25, затем взвесить 10 мг катализатора GMS и добавить к бензил алкоголь.
  2. Настройка ванну с регулируемой температурой масла при перемешивании магнитной мешалкой, чтобы гарантировать точное и равномерное регулирование температуры реакции.
  3. Поместите колбу бензилового спирта и катализатора в масляной ванне, а затем установить температуру до 100 ° С и перемешивают при 150 об / мин.
  4. Поток газообразного кислорода с чистотой 99,9% в колбу на 2 мл / мин управляется контроллером массового расхода.
  5. КогдаТемпература масляной бани достигает 100 ° C и стабилизирует, вводить кислород газа в трехгорлой колбе.
  6. Хранить расхода кислорода и постоянную температуру, и позволяют реакции протекать в течение 6 часов.
  7. После завершения реакции продукт фильтруют с фильтровальной бумаги # 1. Собирают жидкую фазу и перенести аликвоту к газовой хроматографии (ГХ) флакона. В ГК флакона, смешайте четыре части ВЭЖХ уксусной кислоты для каждого одна часть образца (например, использовать 36 мкл образца и 144 мкл уксусной кислоты.) Поместите флакон на газовом хроматографе автосэмплера для анализа. Смыть твердый осадок на фильтровальную бумагу с дистиллированной водой и этанолом, затем дать высохнуть на воздухе. Собирают твердое сушат с помощью шпателя в качестве вторичного катализатора.
  8. Повторите ту же процедуру с шага эксперимента 2.3 через 2,7 с переработанной катализатора в три раза. В каждом повторе, регулировать количество бензилового спирта, чтобы соответствовать соотношению, описанные в шаге 2.2.

3. Therмал Лечение GMS для тестирования термостойкости

  1. Взвесьте три отдельные части 300 мг синтезированных GMS, и хранить их в стеклянных флаконах. Они отмечены в партии 1, 2 и партия партия 3. Держите партии 1 в качестве контрольной группы, и поставить партию 2 и 3 партии в печь для термической обработки.
  2. Программа печи следующим для обработки при 400 ° С: скат от 25 ° С до 400 ° С в течение 0,5 ч, выдерживают при 400 ° С в течение 4 ч, позволяют образец оставаться в печи с двери закрытыми до температура падает ниже 40 ° С. Положите пакет 2 в тигле и запустите программу.
  3. Программа печи следующим для обработки при 650 ° C: скат от 25 ° С до 650 ° С в 0,75 ч, выдерживают при 650 ° С в течение 4 ч, позволяют образец оставаться в печи с закрытой дверью, пока температура не упадет ниже 40 ° С. Положите пакет 3 в тигле и запустите программу.

4. Характеристикаиз СБМ материалов 21,22

  1. На физической адсорбции инструмента, Дега GMS материалы со следующей программой: 90 ° C в течение 60 мин, а затем 350 ° С в течение 480 мин. Запуск полной изотермы анализ на дегазированной материалов для получения данных физической адсорбции.
  2. Дисперсные образец GMS на 200 меш дырявой углерода ТЕМ сетки и наблюдать образец под электронным микроскопом. Ограничить увеличение в 44,000X чтобы защитить материал.
  3. Запустите РСА с Cu Kα излучения (λ = 1,5418 Å). Набор напряжения трубка 45 кВ, ток и трубка 40 мА. Накопление интенсивности в диапазоне 2θ от 10 ° до 90 ° с размером шага 0,008 ° и временем измерения 5 сек на каждом шаге.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Этот метод был использован для сравнения уровней синтеза гема в нормальном (HBEC30KT) против раковых (HCC4017) легочных клеток. Рисунок 2 показывает более высокий уровень синтеза гема в раковых клетках (HCC4017), чем нормальные клетки легких (HBEC30KT). Уровень синтеза гема также измеряли в нормальных и раковых клеток в присутствии митохондрий разобщитель карбонилцианид 3-хлорфенилгидразона (СССР). Клетки обрабатывали 10 мкМ CCCP в течение 24 часов перед измерением уровней синтеза гема. Как и ожидалось,...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

В протоколе синтеза, внимание к концентрации поверхностно-активного вещества, рН раствора и температуры реакции имеет решающее значение для успешного формирования GMS. Критические шаги 1.2, 1.3, 1.4 и 1.6. Указанные параметры управления критическим параметром упаковки и фазу мицелл, образованных из поверхностно-активного вещества. Фазы и морфология мицеллы определяет конечное состояние матрицы кремния, который служит в качестве основы для GMS. Также важную роль в процессе формирования находится последовательность и врем...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Авторы выражают признательность Национальному научному фонду за грант CHE- 1214068 за поддержку этого исследовательского проекта.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
поли(этиленгликоль)-блок-поли(пропиленгликоль)-блок-поли(этиленгликоль)Aldrich435465-250ML
тетраэтоксисиланTCI201-083-8
бис[3-(триэтоксисилил)пропил]-тетрасульфидGELESTSIB1825,0-100GM
хлорауриновая кислотаAldrich520918-1G
бензиловый спиртSigma-Aldrich305197-1L
азот физисорбционнаямикромеритикаTristar II
рентгеновская дифракцияPhilipsX'Pert Pro
просвечивающая электронная микроскопияPhilipsCM200
газовая хроматографияShimadzuGC-2010

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи