Подготовка серебряно-палладий сплавленных наночастиц для плазмонной катализа под видимым освещением

Данный протокол представляет собой синтез наночастиц легированного серебра палладия на основе диоксида циркония. Он облегчает сбор энергии от излучения видимого света для ускорения и контроля более световых преобразований. Этот метод позволяет согласовать плазмонные и каталитические свойства одной линии частиц для обеспечения легких трехвалентных превращений в каталитических металлах, не обладающих плазмонными свойствами.

Этот протокол может дать представление о нанокатализе, синтезе наночастиц и поддерживаемом синтезе катализаторов. Его можно применять для упорядочивания молекулярных превращений в композициях наночастиц. Получение наночастиц диоксида циркония серебра палладия.

Добавьте 50 миллилитров нитрата серебра и 9,71 миллилитров тетрахлорплатината калия в стакан объемом 250 миллилитров, содержащий один грамм диоксида циркония. Перемешайте растворы при энергичном магнитном перемешивании со скоростью 500 оборотов в минуту при комнатной температуре в течение пяти минут, прежде чем добавить в стакан 10 миллилитров лизина. Через 20 минут добавьте в смесь по каплям 10 миллилитров свежеприготовленного раствора боргидрида натрия со скоростью один миллилитр в минуту.

Продолжайте помешивать смесь еще 30 минут при комнатной температуре, затем дайте реакции отстояться в течение ночи. На следующее утро разделите суспензию между несколькими центрифужными пробирками и отделите твердые частицы от смеси путем центрифугирования. Аккуратно удалите надосадочную жидкость и добавьте в пробирки 15 миллилитров деионизированной воды.

Энергично встряхните, пока твердое вещество полностью не диспергируется, поместив трубки в вихрь на одну минуту для полного повторного взвешивания материала по мере необходимости. Повторите промывку центрифугированием и ресуспензией еще два раза, как показано на рисунке, используя 15 миллилитров деионизированной воды для второй промывки и этанола для третьей. После удаления этанола из последней промывки высушите твердое вещество в духовке при температуре 60 градусов Цельсия в течение 24 часов, прежде чем охарактеризовать препарат диоксида циркония серебра с помощью стандартных элементных и спектроскопических методов микроскопии.

Для получения наночастиц диоксида циркония серебра добавьте 50 миллилитров нитрата серебра в стакан объемом 250 миллилитров, содержащий один грамм порошка диоксида циркония, при энергичном магнитном перемешивании при комнатной температуре, добавьте в стакан 10 миллилитров лизина и продолжайте перемешивать смесь еще 20 минут. В конце инкубации добавьте в раствор 10 миллилитров свежеприготовленного боргидрида натрия, как это было продемонстрировано в течение 30 минут при инкубации при комнатной температуре. Для разделения и очистки катализатора расщепляют раствор между несколькими центрифужными пробирками и собирают твердые частицы методом центрифугирования.

Осторожно удалите жидкую фазу и добавьте 15 миллилитров деионизированной воды в трубки, чтобы обеспечить энергичную ресуспендию твердых веществ. Полученный раствор центрифугирует для одной дополнительной промывки дистиллированной водой и одну промывку этанолом, как показано на рисунке. После удаления этанола поместите твердое вещество в печь при температуре 60 градусов Цельсия в течение 24 часов, прежде чем охарактеризовать наночастицы диоксида циркония серебра с помощью различных стандартных элементных и спектроскопических методов микроскопии.

Чтобы исследовать эффективность плазмонного катализатора при световом освещении, добавьте 30 мг катализатора в 25-миллилитровую колбу с круглым дном с магнитной мешалкой и добавьте пять миллилитров нитробензола 0,03 моля на литр в растворе изопропилового спирта. Добавьте в колбу 11,22 миллиграмма порошка гидроксида калия и пузырите эту суспензию потоком аргона в течение одной минуты для продувки реактора. Сразу после продувки поместите запечатанную колбу в масляную баню при температуре 70 градусов Цельсия над магнитной мешалкой с регулируемой температурой при 500 оборотах в минуту.

Для облучения раствора используйте четыре светодиодные лампы с длиной волны 427 нанометров и интенсивностью света 0,5 Вт на квадратный сантиметр, расположенные ровно в семи сантиметрах от колбы. И дайте реакции протекать в течение 2,5 часов при температуре 70 градусов Цельсия при энергичном магнитном перемешивании. В конце инкубации выключите свет и с помощью шприца и иглы соберите образец объемом в один миллилитр из открытого реактора.

Затем процедите образец через фильтр 0,45 мкм в стеклянную хроматографическую жидкость для удаления частиц катализатора. Чтобы исследовать работоспособность плазмонного катализатора в отсутствие более легкого излучения, проведите анализ так, как только что было показано, но с реакционным контейнером, обернутым алюминиевой фольгой для защиты от света. Для газохроматографического анализа готовят 10 миллилитров раствора изопропилового спирта, содержащего примерно 30 миллимоль на литр нитробензола, 30 миллимоль на литр анилина и 30 миллимоль на литр азобензола, и проводят газохроматографический анализ раствора в соответствии со стандартными протоколами.

Выбранный метод должен быть способен разделять пики, соответствующие изопропиловому спирту, нитробензолу, анилину и азобензолу, в минимальный период времени удержания, как показано на рисунке. После выбора метода готовят индивидуальные наборы растворов 50, 25, 10, 5 и 2,5 миллимолярного нитробензола, анилина или азобензола в изопропиловом спирте. Затем проводят газохроматографический анализ каждого из приготовленных растворов.

Каждая хроматограмма должна представлять два пика, причем верхний пик соответствует изопропиловому спирту, а нижний пик соответствует нитробензолу, анилину или азобензолу, в зависимости от случая. Для каждой хроматограммы обратите внимание на время удержания и площадь пика каждого пика. Затем построите график зависимости концентрации от пиковой площади каждого образца, чтобы проследить калибровочную кривую для определения концентрации каждого растворителя.

Диоксид циркония не проявляет запретов в видимом диапазоне и поэтому не должен способствовать какой-либо фотокаталитической активности. Сигнал с центром в 428 нанометрах может быть обнаружен для наночастиц диоксида циркония серебра и диоксида циркония, в то время как наночастицы диоксида циркония в серебре палладия демонстрируют пик с центром в 413 нанометров. Идентифицировать наночастицы палладия серебра с помощью сканирующей электронной микроскопии сложно, но формирование наночастиц со средним размером частиц около 10 нанометров можно визуализировать с помощью просвечивающей электронной микроскопии.

После реакции конверсию и селективно с образованием азобензола и анилина можно измерить с помощью газовой хроматографии. В отсутствие катализаторов конверсия нитробензола не обнаруживается при наличии или отсутствии светового освещения. Для наночастиц диоксида циркония серебра в темноте конверсия не обнаруживается, в то время как при возбуждении LSPR наблюдается 36%-ная конверсия.

Также обнаружена 56%-ная селективность по отношению к азобензолу, что указывает на то, что серебро само по себе может катализировать эту реакцию при возбуждении LSPR. Для наночастиц биометаллического серебра палладия и диоксида циркония в темноте не обнаруживается значительного превращения. Интересно, что при возбуждении LSPR конверсия составляет 63% с 73% селективностью по отношению к азобензолу, что демонстрирует способность металлической конфигурации не только увеличивать конверсию при возбуждении LSPR, но и селективно контролировать реакцию.

Реакция каталитически приводится в движение палладием и плюс идиотически усиливается серебром под воздействием видимого света. Поэтому важно управлять синтезом наночастиц и выбирать длины световых волн для катализа. Каталитически активный металл палладий и плазмонически активный металл серебро могут быть заменены другими типами возможных комбинаций для нацеливания на различные типы органических реакций.