Overview
Quelle: Labor von Dr. Ryan Richards – Colorado School of Mines
Katalyse gehört zu den wichtigsten Bereichen von moderner Technologie und derzeit entfallen rund 35 % des Bruttoinlandsprodukts (BIP) und Unterhalt von rund 33 % der Weltbevölkerung durch Düngemittel über das Haber-Verfahren hergestellt. 1 Katalysatoren sind Systeme, die chemische Reaktionen durch Absenkung der Aktivierungsenergie und beeinflussen die Selektivität zu erleichtern. Katalyse wird eine zentrale Technik im Hinblick auf die Energie- und umweltpolitischen Herausforderungen der Neuzeit sein.
Principles
Heterogene Katalysatoren bestehen typischerweise aus einer nanoskaligen katalytische Einheit (in der Regel ein Metall) verstreut auf einem Trägermaterial (in der Regel Carbon oder Metall Oxid), das vergrößert die Oberfläche und oft vermittelt gewisse Stabilität gegen Aggregation der Nanopartikel. Katalysator-Nanopartikel hat aktive Zentren auf seiner Oberfläche, wo die Reaktion stattfindet. Abhängig von der Reaktion könnte diese aktiven Zentren planaren Flächen oder Kanten Kristall auf der Oberfläche des Partikels. In der Regel haben kleinere Nanopartikel höhere katalytischen Aktivität, aufgrund der höheren Anzahl der Oberflächenatome pro Mol des Katalysators. 2
Die Reaktion auf der Katalysatoroberfläche beginnt mit Adsorption von Reagenzien zur aktiven Seite, gefolgt von der Reaktion auf der Oberfläche. Die Oberflächenreaktion kann zwischen einer adsorbierten Spezies und in loser Schüttung, genannt den Eley-Rideal-Mechanismus, oder zwischen zwei adsorbierten Spezies, genannt den Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus auftreten. Die reagierten Arten desorbs dann von der Oberfläche in die Masse. 2
Unterstützten nanoskaligen Palladium Partikel Aktivität in vielen wichtigen katalytischen Reaktionen gezeigt haben und ein Modellsystem zur Demonstration eines heterogenen Katalysators zu vertreten. Palladium Basis Katalysator Forschung Bemühungen sind breit und reichten von Ausbau der Biomasse auf die Zersetzung von chemischen Farbstoffen in Abwasserströme. Der Einsatz von Palladium-Katalysatoren als Vertreter für heterogene Katalysatoren ist wünschenswert, weil sie einfache Abtrennung des Katalysators die Produkte ermöglicht. 2
Hier besteht der heterogenen Katalysator von nanoskaligen Palladium Teilchen verteilt auf eine große Oberfläche Kohlenstoff-Unterstützung. Derzeit sind mehrere unterstützte Palladium-Katalysatoren im Handel erhältlich. In diesem pädagogischen Artikel unterstützt zwei handelsübliche Palladium verwendeten Materialien, 1 % Palladium auf Aktivkohle unterstützt und 0,5 % Palladium auf Granulat Kohlenstoff unterstützt. Ein anderes Material, Aktivkohle, dient als ein Kontrollexperiment. Die Reduktion von 4-Nitrophenol ist für die katalytische Reaktion gewählt, weil es leicht ist zu bearbeiten und die Ergebnisse durch eine Farbänderung sichtbar sind. Dieses experimentelle Protokoll bietet eine sehr klare visuelle Demonstration einer typischen katalytische Reaktion.
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Procedure
1. Vorbereitung von 4-Nitrophenol Lösung gemischt mit Natriumborohydrid
- 14 mg 4-Nitrophenol wiegen und in 10 mL VE-Wasser in ein Glas-Durchstechflasche auflösen.
- 57 mg von Natriumborohydrid wiegen und in 15 mL VE-Wasser auflösen.
- Mischen Sie die zwei Lösungen und magnetische rühren für 30 min bei Raumtemperatur zu einer einheitlichen Lösung. Laborkittel, Sicherheit Brille und Handschuhe sind als Standardprotokoll Schutz erforderlich.
2. Vorbereitung des Katalysator-Lösung
- Wiegen Sie 10 mg Palladium auf Aktivkohle und Palladium auf Granulat Kohlenstoff bzw.. Wiegen Sie 10 mg Aktivkohle als Kontrollgruppe.
- Transfer wog Katalysatoren zu einem Fläschchen und jedes Fläschchen 100 mL VE-Wasser hinzufügen.
- Beschallen Sie die Fläschchen mit einer Ausgangsleistung von 135 W für 10 min bis Katalysatoren im Wasser gut verteilt sind.
3. katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol
- Messen Sie 1,15 mL fertige Lösung für 4-Nitrophenol und Natrium Natriumborhydrid, übertragen auf eine 5-mL-Glasflasche.
- Notieren Sie die Farbe der Lösung in das Fläschchen, warten Sie 10 min und Rekord, wenn es irgendeine Änderung in der Farbe der Lösung.
- Die Ampulle fügen Sie 1 mL der vorbereiteten Palladium auf Aktivkohle-Katalysator-Lösung hinzu, schütteln Sie das Fläschchen mit der hand 20 S. beobachten Reaktion für 20 min, zeichnen Sie auf, wenn Lösung Farbe beginnt sich zu verändern und wenn Lösung Farbe verblasst völlig transparent.
- Wiederholen Sie den Vorgang mit dem Palladium auf Granulat Kohlenstoff-Katalysator-Lösung.
- Wiederholen Sie den Vorgang mit der Aktivkohle-Katalysator-Lösung.
- Der Farbwechsel zwischen drei Katalysatoren nach 0, 5, 10, 15 und 20 min. Reaktionszeit zu vergleichen. Um diese Änderung zu quantifizieren, Messen Sie UV-Vis-Spektren der Probe während der 20 min-Reaktion-Intervall.
Katalysatoren sind Stoffe, die chemische Systeme ermöglichen chemische Reaktionen auftreten, schneller, hinzugefügt werden mit weniger Energie.
Die minimale Menge an Energie erforderlich, um eine Reaktion zu initiieren ist die Aktivierungsenergie genannt. Katalysatoren bieten eine Alternative Reaktion Weg mit einer niedrigeren Aktivierungsenergie, so dass die Reaktion unter weniger extremen Bedingungen stattfinden.
Bei hohen Temperaturen Moleküle bewegen sich schneller und häufiger kollidieren. Da der Anteil der molekulare Kollisionen höher ist, haben die Reaktanden genug Energie, um die Aktivierungsenergie der Reaktion zu überwinden. Der Katalysator bietet einen Alternative Reaktionsmechanismus, der erhöht sich den Anteil der Kollisionen bei einer niedrigeren Temperatur, dadurch Verringerung der Menge an Energie benötigt, um die Reaktion zu vervollständigen. Der Katalysator kann in mehreren chemischen Umwandlungen beteiligen, aber es am Ende der Reaktion unverändert ist und recycelt und wiederverwendet werden kann.
Dieses Video wird die Grundlagen der Katalyse markieren, und zeigen Sie, wie eine grundlegende katalytische Reaktion im Labor durchführen.
Es gibt mehrere Arten von Katalysatoren. Enzyme sind biologische Moleküle, die als äußerst spezielle Katalysatoren zu Verhalten. Enzyme sind spezielle Form und führen Edukt Moleküle, Substrate, in die optimale Konfiguration für Reaktion gestellt. Homogene Katalysatoren sind in der gleichen Phase als die Edukte. Am häufigsten werden Katalysator und Reaktanten sowohl in der flüssigen Phase gelöst. In der heterogenen Katalyse werden Katalysator und Reaktanten in verschiedenen Phasen, getrennt durch eine Phasengrenze. Allgemein, heterogene Katalysatoren sind solide und bestehen aus einer Nano-Maßstab katalytische Einheit, in der Regel ein Metall Nanopartikel, die auf ein Trägermaterial dispergiert wird.
Das Trägermaterial in der Regel Kohlenstoff, Kieselsäure, oder ein Metalloxid, wird verwendet, um die Fläche zu erhöhen und vermitteln Stabilität gegen Aggregation der Nanopartikel. Poröse Membranen und Perlen, Mesh und gestapelten Blätter sind nur einige der Unterstützung Geometrien verwendet in der Katalyse.
In der heterogenen Katalyse haben Nanopartikel aktive Zentren auf der Oberfläche, wo die Reaktion stattfindet. Abhängig von der Reaktion könnte diese aktiven Zentren planaren Flächen oder Kanten Kristall auf der Oberfläche des Partikels. In der Regel haben kleinere Nanopartikel höhere katalytischen Aktivität aufgrund der höheren Anzahl der Oberflächenatome pro Mol des Katalysators.
Die Reaktion auf der Katalysatoroberfläche beginnt mit Adsorption von Reagenzien zur aktiven Seite, gefolgt von der Reaktion auf der Oberfläche. Die Oberflächenreaktion kann zwischen einer adsorbierten Spezies und in loser Schüttung, genannt den Eley-Rideal-Mechanismus, oder zwischen zwei adsorbierten Spezies, genannt den Langmuir-Hinshelwood-Mechanismus auftreten. Die Produkte desorbieren dann von der Oberfläche in die Masse.
Nun, da Sie die Grundlagen der Katalyse zu verstehen, betrachten wir die Reduktion von 4-Nitrophenol, 4-Aminophenol mit einem handelsüblichen Palladium-Katalysators auf Boden Aktivkohle unterstützt. Der Fortschritt der Reaktion wird die Farbe zu ändern, die während der Reaktion auftritt mit gemessen werden.
Achten Sie vor Beginn des Experiments darauf, geeignetsten persönlichen Schutzausrüstung, z. B. einen Laborkittel, Schutzbrille und Handschuhe tragen. Um die Materialien vorzubereiten, zuerst wiegen Sie 14 mg 4-Nitrophenol und lösen Sie es in 10 mL entionisiertem Wasser in einem Glasfläschchen, eine 10 mM-Lösung zu machen. Als nächstes wiegen Sie 57 mg von Natriumborohydrid und lösen Sie es in 15 mL VE-Wasser, eine 100 mM-Lösung zu machen. Die beiden, verrühren Sie und bei Raumtemperatur zu einer einheitlichen Lösung. Die Farbe der Lösung sollten nicht ändern, da die Natriumborohydrid voll 4-Nitrophenol ohne Katalysator reduziert werden kann. Wiegen Sie 10 mg von Palladium auf Aktivkohle und 10 mg Aktivkohle ohne Katalysator, als ein Beispiel für ein Steuerelement.
Übertragen Sie die gewogenen Katalysatoren in separaten Fläschchen und jeweils fügen Sie 100 mL entionisiertem Wasser hinzu. Beschallen Sie die Fläschchen mit einer Leistung von 135 Watt, bis Katalysatoren im Wasser gut verteilt sind.
Nun, da die Materialien vorbereitet sind, kann die katalytische Reduktion von 4-Nitrophenol durchgeführt werden. Messen Sie 1,15 mL der zubereiteten 4-Nitrophenol und Natrium Natriumborhydrid Lösung und übertragen Sie auf eine 5-mL-Glasflasche.
Beobachten Sie und notieren Sie die Farbe der Lösung in der Durchstechflasche. Die Ampulle 1 mL der vorbereiteten Palladium auf Aktivkohle-Katalysator-Lösung hinzufügen und Mischen von hand schütteln.
Beobachten Sie die Reaktion für 20 min und zeichnen Sie auf, wenn die Lösung Farbe beginnt sich zu verändern und dann völlig verblasst. Wenn alle die Farbe ist verblasst, ist die Reaktion abgeschlossen.
Wiederholen Sie den Vorgang für die Aktivkohle-Control-Lösung. Fortschreiten der Reaktion, die Farbwechsel von gelb, farblos, unter Angabe des Konsums von 4-Nitrophenol. Um diese Änderung zu quantifizieren, Messen UV-Vis-Absorption der Probe bei 400 nm.
Zeichnen Sie den natürlichen Logarithmus der Absorption im Vergleich zur Zeit. Die Absorption verringert sich im Laufe der Reaktion, den Konsum von 4-Nitrophenol angibt. Die Kontrollprobe zeigte keine katalytische Aktivität.
Katalysatoren sind von entscheidender Bedeutung für eine Vielzahl von industriellen und wissenschaftlichen Bereich.
In Anwesenheit eines Palladium-Katalysators auftreten Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kupplungsreaktionen, bekannt als die Heck-Reaktion. Die Heck-Reaktion gilt als der erste richtige Mechanismus für Übergangsmetall-katalysierte Kupplungsreaktionen. Es ist so wertvoll für moderne Katalyse, dass Richard F. Heck für seine Entdeckung den Nobelpreis in Chemie erhielt. Die Heck-Reaktion kann erfolgen mit Hilfe eines Palladium-Katalysators in diesem Experiment gezeigt. Hier wurde der Katalysator bei Raumtemperatur synthetisiert. Nach der Reaktion wurde das Produkt mit magnetischen Kernresonanz-Spektroskopie oder NMR analysiert.
In der Natur sind Enzyme Katalysatoren, die eine Vielzahl von biologischen Reaktionen ermöglichen. Z. B. ist Acetat-Kinase ein Enzym, das in Mikroorganismen gefunden, die die reversible Umwandlung von Acetat zu Acetyl-Phosphat erleichtert.
Die Enzymaktivität wurde mittels UV-Vis-Spektrophotometrie, mit einer Standardkurve gemessen.
Die Menge an Acetyl-Phosphat verbraucht wurde während der Reaktions überwacht, und die Enzym-Kinetik als Funktion der Zeit dargestellt.
Polymere sind ein weiteres Feld, das Katalyse nutzen kann. Hier wurden die sternförmige Polymerpartikel synthetisiert.
Zunächst wurde der Katalysator und bei Raumtemperatur getrocknet. Die Polymer-Zweige wurden dann mit dem Katalysator gemischt, und dann ein Vernetzer wurde hinzugefügt, um die Partikel zu bilden.
Die Partikelgröße wurde dann mit Gel Permeation Chromatographie analysiert. Polymeren Nanopartikel, wie die Sterne Polymere hergestellt in diesem Beispiel sind für eine Vielzahl von Anwendungen wie Drug-Delivery und Self-assembly verwendet.
Sie habe nur Jupiters Einführung in Katalyse beobachtet. Nachdem ich dieses Video, sollten Sie verstehen, das Konzept der Katalyse und Gewusst wie: ausführen eine einfache Reaktion im Labor.
Danke fürs Zuschauen!
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Results
Die Reduktion von 4-Nitrophenol mit einem Katalysator ist eine Benchmark-Reaktion in der Literatur für die Katalysatorleistung Bewertung und Messung der Kinetik. Vor der Zugabe des Katalysators, die Farbe der Lösung ist hell gelb, das entspricht 4-Nitrophenol Ion in alkalischen Bedingungen. Ohne den Zusatz eines Katalysators die gelbe Farbe nicht verblassen, dies bedeutet, dass die Mischung von 4-Nitrophenol und Natrium Natriumborhydrid stabil ist.
Nach der Zugabe von Palladium auf Aktivkohle und Palladium auf Granulat Kohlenstoff-Katalysator-Lösungen verblasst die gelbe Farbe des 4-Nitrophenol Lösung allmählich. Auf einer Zeitskala von ca. 20 min wird die Lösung farblos, was auf eine vollständige Reduktion von 4-Nitrophenol durch den Katalysator.
Nach der Zugabe von Aktivkohle-Lösung, mit keinen Katalysator bleibt die gelbe Farbe des 4-Nitrophenol innerhalb von 20 min Reaktionsfenster unverändert. Carbon fungiert lediglich als Trägermaterial für Palladium, also Kohlenstoff durch selbst keine katalytische Wirkung auf die Reaktion zeigen. Die Kontrollgruppe hier zeigt, dass nanoskaligen Palladium Partikel unterstützt auf Kohlenstoff ist ein aktiver Katalysator der Kohlenstoff selbst ist zwar kein Katalysator. Dieses Control Experiment zeigt auch, dass die 4-Nitrophenol ist nicht einfach von der Kohlenstoff aufgenommen und aus der Lösung entfernt.
Beobachtung der UV-Vis-Absorptionsspektren zeigt eine allmähliche Abnahme bei rund 400 nm erhöhend bei rund 300 nm. Diese Änderung ist bezeichnend für die Reduktion von 4-Nitrophenol während des Prozesses. Die relative Konzentration von 4-Nitrophenol ist vertreten durch die relative Intensität der Absorption bei 400 nm. Eine Plot-ln (t/a0) vs. Zeit zeigt Reaktion Verfahrens in einer quantitativen Weise. Ein repräsentatives Grundstück ist in Abbildung 1dargestellt.
Abbildung 1. Grundstück von Absorption vs. Zeit bei der Reduktion von 4-Nitrophenol durch Palladium-Katalysators auf Aktivkohle.
Für beide Palladium-Katalysatoren verwendet gibt es keinen Unterschied zwischen ihre Farbe ändern Verhalten und ihre Spektren. Dieses Ergebnis zeigt an, dass Palladium ist aktiv im katalytischen Reduktion von 4-Nitrophenol unabhängig davon, ob es auf Aktivkohle oder granulare Carbon unterstützt wird.
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Applications and Summary
Als Benchmark Reaktion kann die katalytische Anwendung von nanoskaligen Palladium Teilchen auf andere Bereiche erweitert werden. Ähnlich wie bei der Reduktion von 4-Nitrophenol, was eine Colorometric (die Reaktion wird als eine Farbänderung beobachtet), die Hydrierung von chemischen Farbstoffen kann mit dem gleichen Protokoll durchgeführt werden. Chemischen Hydrierung Prozesse sind sehr wichtig in vielen industriellen Reaktionen sowie Abfallentsorgung. Forscher fanden Anwendungen von Katalysatoren in Hydrierung Reaktionen in den Bereichen Petrochemie. In den Vereinigten Staaten erreichte Benzol Produktion 415144 Millionen Gallonen im vierten Quartal im Jahr 2010, wo Hydrierung Prozess eine wichtige Rolle.
In Anwesenheit eines Palladium-Katalysators und eine einfache Umgebung auftreten C-C-Kupplungsreaktionen zwischen Aryl/Vinyl Halogenide und Alkenen. 3,4 , dies als die Heck-Reaktion bezeichnet. C-C-Kupplungsreaktionen sind von entscheidender Bedeutung für die jetzt gesellschaftlichen Energieherausforderungen zu lösen. Die Implikation ist so wichtig, dass für die Arbeit am Kreuz Kupplung Reaktion katalysiert Palladium 2010 den Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurde. Katalysatoren werden auch bei der Synthese von Nanopartikeln Polymer verwendet. In dieser Anwendung sind Polymer-Filialen mit einem Katalysator vermischt, um induzieren die Bildung von Sterne Partikeln. 5 schließlich sind Katalysatoren in Natur und biologische Reaktionen Laufwerk verbreitet. Hier gibt es sie natürlich als Form bestimmter Enzyme. 6
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References
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- Thomas, J.M., Thomas, W.J. Principles and Practice of Heterogeneous Catalysis. Wiley-VCH. Germany (2015).
- Heck, R.F., Nolley, J.P. Palladium-catalyzed v Vinylic Hydrogen Substitution Reactions with Aryl, Benzyl and Styryl Halides. J. Org. Chem. 37 (14), (1972).
- Oberholzer, M., Frech, C. M. Mizoroki-Heck Cross-coupling Reactions Catalyzed by Dichloro{bis[1,1',1''-(phosphinetriyl)tripiperidine]}palladium Under Mild Reaction Conditions. J. Vis. Exp. (85), e51444, (2014).
- Liu, J., Gao, A. X., Johnson, J. A. Particles without a Box: Brush-first Synthesis of Photodegradable PEG Star Polymers under Ambient Conditions. J. Vis. Exp. (80), e50874, (2013).
- Fowler, M. L., Ingram-Smith, C. J., Smith, K. S. Direct Detection of the Acetate-forming Activity of the Enzyme Acetate Kinase. J. Vis. Exp. (58), e3474, (2011).
