Sintesi e prestazioni catalitica dell'oro intercalata nelle Mura di mesoporosi silice

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

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Ji, Y., Caskey, C., Richards, R. M. Synthesis and Catalytic Performance of Gold Intercalated in the Walls of Mesoporous Silica. J. Vis. Exp. (101), e52349, doi:10.3791/52349 (2015).

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Abstract

Come promettendo reattore nano cataliticamente attivo, nanoparticelle d'oro intercalate in silice mesoporosa (GMS) sono stati sintetizzati con successo e le proprietà dei materiali sono stati studiati. Abbiamo utilizzato un approccio sol-gel una pentola a intercalare nano particelle d'oro nelle pareti di silice mesoporosa. Per iniziare con la sintesi, P123 è stato utilizzato come modello per formare micelle. Poi TESPTS è stato usato come agente modifica superficiale intercalare nano particelle d'oro. A seguito di questo processo, TEOS stato aggiunto come una fonte di silice che ha subito un processo di polimerizzazione in ambiente acido. Dopo trattamento idrotermale e calcinazione, il prodotto finale è stato acquisito. Diverse tecniche sono stati utilizzati per caratterizzare la porosità, la morfologia e la struttura del oro intercalato silice mesoporosa. I risultati hanno mostrato una struttura stabile della silice mesoporosa dopo l'oro intercalazione. Attraverso l'ossidazione di alcool benzilico come reazione di riferimento, i materiali GMS mostrato alta Selectività e la riciclabilità.

Introduction

Come una tecnologia emergente che ha un grande potenziale nelle applicazioni di catalisi, materiali su scala nanometrica hanno ricevuto l'interesse intensa attività di ricerca negli ultimi decenni. Tra i catalizzatori nanoscala segnalati, catalizzatori di metalli nobili, come Au, Ag, Pd e Pt hanno attirato l'attenzione in tutto il mondo 1-3. Seleziona reazioni catalitiche includono l'ossidazione dei ricercatori di monossido di carbonio su Au, Heck reazione catalizzatori Pd, e la scissione dell'acqua con Pt. Nonostante il potenziale catalitico promettente, oro nanoscala è limitata nella sua applicazione a causa della disattivazione di avvelenamento, coking, degradazione termica, e sinterizzazione. E 'stato riportato che l'oro, come rappresentante per metalli nobili, ha l'alta selettività ed è meno soggetto a lisciviazione metallo, over-ossidazione, e di auto-avvelenamento 4. Tuttavia, la prestazione catalitica di oro dipende fortemente dalla granulometria. Haruta et al. Ha riportato il rapporto tra prestazioni catalitiche e andarediametro grappolo ld, dimostrando la più alta attività di catalizzatori oro con granulometria ~ 2.7 nm 5.

La dimensione delle particelle di metalli nobili può essere controllato dal metodo di preparazione 6-9; Tuttavia, il principale ostacolo verso un'ampia applicazione rimane aggregazione e perdita di attività. Per risolvere il problema di sinterizzazione, un metodo comune è quella di immobilizzare nanoparticelle su un materiale di supporto. Vari materiali di supporto sono state applicate compresa la silice porosa 10-11, ossidi metallici semiconduttori 12-13, polimeri 14, grafene 15 e nanotubi di carbonio 16. Tra i materiali impiegati, silice porosa è un materiale attraente come un supporto perché è solo leggermente acido, relativamente inerte, termicamente e chimicamente stabile, e può essere preparata con molto ben definito meso / microporosità. La struttura porosa fornisce un buon supporto per particelle di metallo, ma conferisce anche accesso dimensione substrato selettivoi catalizzatori metallici. Questa selettività è particolarmente promettente per la tunability associato con questi materiali porosi. Spesso, particelle d'oro si trovano ad essere estremamente mobile su superfici silice 17-18 e facilmente formare molto grandi (50+ nm) particelle reattivi quando esposto a temperature elevate, rendendo così difficile preparare nanoparticelle di oro su silice 19. Mukherjee et al. Segnalato l'immobilizzazione di nanoparticelle d'oro monodisperse su mesoporosi silice MCM-41 da 3 amminopropil-trimetossisilano e 3-mercaptopropil-trietossisilano, e le nanoparticelle d'oro supportati sono risultati essere molto attivo per reazioni di idrogenazione e stata trovata nessuna lisciviazione dell'oro nella reazione 20.

A seguito della relazione di modifica della superficie della silice mesoporosa, abbiamo riportato un metodo per preparare oro intercalati nella parete della silice mesoporosa (GMS). Inoltre, l'approccio di silice mesoporosa supportato offre un ap scalabileproccio potenzialmente modificare autonomamente il catalizzatore e l'ambiente poroso. Dal momento che i processi catalitici sono di vitale importanza economica, i benefici potrebbero essere di vasta portata. La capacità di sviluppare catalizzatori "verdi" avrebbe un profondo impatto positivo sull'ambiente e migliorare la fattibilità e l'efficienza delle risorse economiche di importanti processi industriali.

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Protocol

1. Preparazione di GMS

  1. Utilizzare tutte le sostanze chimiche nel processo seguente come ricevuto.
  2. Preparare 75 ml di 2 M di soluzione di acido cloridrico (HCl). Pesare 2,0 g di poli (glicole etilenico) -block-poli (glicole propilenico) -block-poli (glicole etilenico) (P123, MW = 5.800) e trasferire nel preparato 75 ml di soluzione 2 M HCl. A RT, applicare agitazione magnetica alla soluzione ad una velocità di 350 giri / min fino P123 è completamente sciolto. La soluzione sarà limpida.
  3. Pesare 4 g di tetraetossisilano (TEOS, PM = 208,33) in una piccola fiala e trasferire 180 ml di bis [3- (trietossisilil) propil] -tetrasulfide (TESPTS, PM = 538,94) nel flaconcino. Agitare lentamente il flacone per miscelare le due sostanze chimiche. In un altro flacone, pesare 38 mg di acido cloroaurico (HAuCl4, 99,90%) e si dissolvono in 1 ml di acqua deionizzata.
  4. Aumentare la temperatura della soluzione P123 a 35 ° C in un bagno d'olio con temperatura controllata da termocoppia.
  5. Aggiungere tutta la miscela di TEOS eTESPTS preparata al punto 1.3 alla soluzione P123, e mantenere la soluzione a vigorosa agitazione magnetica di 700 giri / min. Mantenere la soluzione mescolando per 2 minuti, quindi aggiungere tutti HAuCl4 soluzione preparata al punto 1.3, goccia a goccia in 30 secondi.
  6. Mantenere la soluzione sotto agitazione a 700 giri / min per 24 ore a 35 ° C.
  7. Dopo 24 ore, trasferire la soluzione in una bottiglia sigillata e conservare in forno a 100 ° C per 72 ore. Questo è chiamato trattamento idrotermale.
  8. Dopo il trattamento idrotermico, filtrare la soluzione con una carta # 1 filtrazione e pressione negativa in un imbuto, poi lavare con acqua due volte e etanolo tre volte per rimuovere residuo HCl. Nel corso di ogni processo di lavaggio, aggiungere acqua o etanolo 1 cm sopra solida e attendere che il materiale si asciughi.
  9. Trasferire precipitazione da filtrazione crogiolo ceramico e calcinato a 550 ° C per 4 ore. Impostare il programma rampa come segue: 25 ° C a 550 ° C per 2 ore, mantenere a 550 ° C per 4hr, quindi permettere al campione di rimanere nel forno con la porta chiusa fino a quando la temperatura scende al di sotto di 40 ° C.
  10. Dopo calcinazione, trasferire il prodotto ad una fiala di vetro con una spatola di plastica. Il materiale sintetizzato ha un colore rosso.

2. Reazione catalitica, ossidazione di alcool benzilico

  1. Poiché l'ossidazione di alcool benzilico è una reazione in fase liquida senza solventi separata, misura 5 ml di alcool benzilico (99,8%) e trasferirlo in un pallone da 25 ml a tre colli, si pesa 10 mg di GMS catalizzatore e aggiungere al benzile alcol.
  2. Impostare un bagno d'olio a temperatura controllata con agitazione magnetica per assicurare il controllo preciso e uniforme della temperatura di reazione.
  3. Mettere il pallone con alcool benzilico e il catalizzatore nel bagno d'olio, quindi impostare la temperatura a 100 ° C e agitare a 150 giri / min.
  4. Flusso di gas di ossigeno con il 99,9% di purezza nel pallone a 2 ml / min controllati da un controllore di flusso di massa.
  5. Quando iltemperatura del bagno ad olio raggiunge 100 ° C e si stabilizza, introdurre gas ossigeno nel pallone a tre colli.
  6. Mantenere costante la portata di ossigeno e la temperatura, e lasciare che la reazione proceda per 6 ore.
  7. Dopo la reazione, filtrata del prodotto con una carta # 1 filtrazione. Raccogliere la fase liquida e trasferire una parte in una gascromatografia (GC) flaconcino. Nella fiala GC, mescolare acido acetico quattro parti HPLC grado per ogni campione da una parte (ad esempio, utilizzare 36 ml del campione e 144 ml di acido acetico.) Posizionare il flaconcino su una auto campionatore gascromatografo per l'analisi. Lavare il precipitato solido sulla carta da filtro con acqua deionizzata ed etanolo poi lasciare asciugare all'aria. Raccogliere il solido essiccato con una spatola come catalizzatore riciclato.
  8. Ripetere la stessa procedura esperimento dal punto 2.3 a 2.7 con catalizzatore riciclato tre volte. In ogni ripetizione, regolare la quantità di alcool benzilico per abbinare il rapporto descritto al punto 2.2.

3. Thermal Trattamento di GMS per il test di stabilità termica

  1. Pesare tre distinte porzioni 300 mg di GMS sintetizzati, e conservarli in fiale di vetro. Questi sono contrassegnati come lotto 1, lotto 2 e lotto 3. Tenere lotto 1 come gruppo di controllo, e mettere dei lotti 2 e lotto 3 in una fornace per trattamento termico.
  2. Programma del forno come segue per la lavorazione a 400 ° C: rampa da 25 ° C a 400 ° C in 0,5 ore, mantenere a 400 ° C per 4 ore, consentire il campione di rimanere nel forno con la porta chiusa fino cascate temperatura sotto i 40 ° C. Mettere lotto 2 in un crogiolo e avviare il programma.
  3. Programma del forno come segue per la lavorazione a 650 ° C: rampa da 25 ° C a 650 ° C in 0,75 ore, mantenere a 650 ° C per 4 ore, consentire il campione di rimanere in forno con la porta chiusa fino a quando la temperatura scende sotto 40 ° C. Mettere lotto 3 in un crogiolo e avviare il programma.

4. Caratterizzazionedei materiali GMS 21,22

  1. Sullo strumento fisisorbimento, degassare GMS materiali con il seguente programma: 90 ° C per 60 minuti e poi a 350 ° C per 480 min. Eseguire un'analisi completa-isoterma sui materiali degassificata per ottenere i dati fisisorbimento.
  2. Disperse campione GMS su una griglia TEM carbonio 200 mesh holey e osservare il campione al microscopio elettronico a trasmissione. Limitare ingrandimenti in 44,000X per proteggere il materiale.
  3. XRD Corri con radiazione Cu Kα (λ = 1,5418 Å). Set tensione del tubo di 45 kV, e la corrente del tubo di 40 mA. Raccogliere intensità nell'intervallo 2θ tra 10 ° e 90 ° con un passo di 0,008 ° e un tempo di misura di 5 sec ad ogni passo.

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Representative Results

Questo metodo è stato utilizzato per confrontare i livelli di sintesi dell'eme nel normale (HBEC30KT) vs. cancro (HCC4017) cellule polmonari. La Figura 2 mostra un più alto livello di sintesi dell'eme nelle cellule tumorali (HCC4017) rispetto alle cellule polmonari normali (HBEC30KT). Il livello di sintesi dell'eme stata anche misurata in cellule normali e tumorali in presenza di cianuro di carbonile mitocondriale disaccoppiatore 3-chlorophenylhydrazone (CCCP). Le cellule sono state trattate con 10 mM CCCP per 24 ore prima della misura di livelli di sintesi dell'eme. Come previsto, i livelli di sintesi dell'eme (Figura 2) è diminuita in presenza di CCCP in entrambe le cellule normali e tumorali. È stato precedentemente dimostrato che la sintesi dell'eme può essere inibita da succinyl acetone (SA), un inibitore potente e specifico di dehydratase acido 5-aminolevulinico (ALAD) che è il secondo enzima in heme bio. Il materiale GMS sintetizzato è stato caratterizzato da microscopio elettronico a trasmissione (TEM), diffrazione di raggi X (XRD) e azotofisisorbimento.

Come mostrato in Figura 1 (batch 1 GMS), immagini TEM rivelano la struttura della silice mesoporosa. La matrice di silice formata canali lungo ben definite con la parete stabile. Il diametro dei pori da TEM è stato identificato a circa 5 nm e esagonale a forma come è tipico per la silice mesoporosa. Immobilizzazione di nanoparticelle di oro è stato ottenuto dal processo di sintesi, come evidenziato dall'immagine TEM, non c'erano particelle d'oro distribuite esplicitamente sulla superficie o nel canale mesoporosa, indicando che le particelle d'oro sono stati intercalati con successo nelle pareti della matrice di silice mesoporosa.

Per stabilire ulteriormente se le particelle d'oro sono intercalate nelle pareti della matrice di silice, è stato utilizzato fisisorbimento azoto. Figura 2A è l'isoterma BET fisisorbimento per matrice di silice senza oro intercalazione, figura 2B è per GMS d'oro intercalate inle pareti (lotto 1). Come si vede dalla figura, non vi era alcuna differenza significativa tra i due materiali. Entrambi rivelarono tipica forma di materiali mesoporosi con un ciclo di isteresi. Questo indica ulteriormente l'intercalazione oro non impone alcun alternanza sulla struttura dei pori (diametro dei pori, la forma o volume), che presi insieme con la XRD e TEM (mostrando l'oro è in forma di particelle 4 nm) inferisce fortemente che l'oro particelle sono nelle pareti della matrice di silice.

Nanoparticelle di oro, promettenti come catalizzatori, soffrono di sinterizzazione e perdita di attività a temperature elevate. Materiale GMS sintetizzato con questo metodo presenta stabilità termica senza aggregazione osservata dopo il riscaldamento. I materiali GMS trattati in diverse temperature elevate sono state caratterizzate da fisisorbimento. Figure 3A e 3B sono BET struttura dei pori e la distribuzione dei pori BJH materiale GMS calcinato a temperature diverse. Comeindicato in figura, calcinazione ad alta temperatura non ha modificato la matrice di silice mesoporosa. Inoltre, sia la struttura dei pori e la distribuzione dei pori è rimasta la stessa dopo il trattamento temperature alto come 650 ° C (cioè, l'oro non aggregata e pori di blocco).

La stabilità termica del oro in GMS è stata ulteriormente verificata da XRD. La Figura 4 è lo schema XRD del materiale GMS calcinato a temperature diverse. I due picchi corrispondono a Au (110) e Au (111). Posizione Peak, massima intensità e ampiezza del picco (tutti gli indicatori di aggregazione e di dimensione delle particelle) non hanno mostrato alcun cambiamento a causa del processo di calcinazione, indicando che le particelle d'oro non hanno subito variazioni in termini di dimensioni e morfologia. L'elevata stabilità è molto promettente per reazioni catalitiche in condizioni difficili.

Utilizzando l'ossidazione di alcool benzilico a benzaldeide come parametro di riferimento, sono state studiate le proprietà catalitiche dei GMS. A 100 ° C, GMS serviticome buon catalizzatore per la reazione di ossidazione. Conversione di alcool benzilico era 44,1% e la selettività verso benzaldeide era 92,8%. Esperimenti di riciclaggio di GMS sono stati condotti con il materiale GMS; i risultati sono riportati in Tabella 1. Come si può vedere dalla tabella, GMS materiale esposto buona riciclabilità. Per ogni round dell'esperimento riciclaggio, la conversione di alcool benzilico leggermente diminuito, probabilmente a causa di piccole perdite di catalizzatore a trasferimento. Anche dopo la terza volta riciclaggio, selettività rimane ad un livello elevato, circa il 90%.

Figura 1
Figura 1. immagine TEM di materiale GMS. Attraverso la microscopia elettronica a trasmissione, è stata osservata la morfologia del materiale GMS. Silice mesoporosi funge da matrice per i materiali GMS; la struttura della silice mesoporosa stato mostrato in due diversi orientamenti. L'immagine TEM chiaramente illustrato ben definito lungocanali e pori esagonali di silice mesoporosa. Durante la formazione di materiale GMS, la struttura di base della matrice mesoporosa non è stata influenzata. I pori non sono state bloccate da particelle d'oro nano Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 2
Figura 2. BET struttura porosa matrice di silice e materiale GMS. (A) La struttura dei pori BET della matrice di silice mesoporosa senza oro intercalazione. (B) La struttura dei pori BET di materiale GMS. Azoto fisisorbimento stato usato per dimostrare ulteriormente la stabilità dei pori. Isoterma fisisorbimento completa è stata effettuata su materiale GMS con silice mesoporosa come gruppo di controllo. Sia l'isoterma di silice mesoporosa e materiale GMS ha mostrato isoterma con ciclo di isteresi per i materiali tipici mesoporoso come definito dalla IUPAC. The la formazione di nano particelle d'oro non è stato il blocco del canale, né i pori nella matrice mesoporoso. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Struttura BET pori (A) e la distribuzione dei pori BJH (B) di materie GMS calcinato a diverse temperature elevate. Azoto fisisorbimento stato nuovamente utilizzato per un'indagine stabilità termica dei materiali GMS. Materiale trattato a 400 ° C e 650 ° C sono stati misurati con il materiale originale che è stato etichettato come come preparato nel grafico. Per GMS materiali calcinati a temperature diverse, non sono stati osservati cambiamenti nella isoterma o la distribuzione dei pori BJH. I risultati hanno dimostrato che GMS materiale era termicamente stabili alle alte temperature, con nessun cambiamento strutturale nella matrice mesoporosa. <a href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/52349/52349fig3highres.jpg" target = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
Figura 4. XRD modello di materiale GMS calcinato a temperature diverse. Diffrazione a raggi X è stato utilizzato per mostrare la stabilità termica di nanoparticelle di oro. Materiali trattati a 400 ° C e 650 ° C sono stati misurati con materiale originale che è stato etichettato come come preparato nel grafico. Durante l'alta la calcinazione temperatura, la posizione di picco e il picco un'altezza di nanoparticelle d'oro non è andato attraverso i cambiamenti, dimostrando che le nanoparticelle d'oro non hanno modificato nella struttura, fase o morfologia. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1. una conversioned selettività dell'ossidazione alcool benzilico con GMS riciclato tre volte.

Conversione di alcool benzilico (%) Selettività di benzaldeide (%)
Ciclo GMS 1 ° 44.1 92.8
GMS 2 ° ciclo 37.2 89.6
GMS ciclo 3 ° 35.3 90.1

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Discussion

Nel protocollo di sintesi, l'attenzione alla concentrazione di tensioattivo, pH della soluzione di reazione e la temperatura è fondamentale per la formazione di successo di GMS. I passaggi critici sono 1.2, 1.3, 1.4 e 1.6. I suddetti parametri controllano il parametro imballaggio critica e la fase di micelle formate da tensioattivo. La fase e la morfologia del micelle determina lo stato finale della matrice di silice, che funge da quadro per GMS. Altrettanto importante nel processo di formazione è la sequenza e il tempo per aggiungere la soluzione HAuCl. TEOS e TESPTS agiscono come agente modifica fonte di silice e di superficie, rispettivamente. Sommando i due sostanze chimiche prima garantisce il corretto polimerizzazione della silice su micelle e incorpora il legame zolfo nel muro di silice, che sarà ulteriormente attrarre atomi di oro a formare ammassi nano d'oro. Giusta sequenza e la tempistica garantire le particelle d'oro saranno intercalate nelle pareti della matrice silicea anziché dispersa sulla superficie.

La sintesi di GMS con questo approccio fornisce un nuovo paradigma di immobilizzare particelle d'oro in supporti di silice mesoporosa. Come GMS mostra grande stabilità termica, elevata attività catalitica e la buona riciclabilità, questo materiale è molto promettente in produzione in serie e l'applicazione in processo catalitico industriale. L'intercalazione di successo di oro è una prova di concetto studio, con possibilità di intercalazione di altri metalli cataliticamente attivi sotto protocollo simile. Le modifiche possono essere apportate a questo protocollo di sintetizzare assemblee, PTM e PDM. La procedura di modifica può essere regolata semplicemente cambiando il sale metallico come descritto al punto 1.3. Sostituire acido cloroaurico con corrispondente Ag, Pt o sale Pd. Le modifiche possono essere fatte anche alterando la dimensione delle particelle di oro nano secondo procedure riportate e seguendo la procedura intercalazione 23. Ulteriore espansione di questo metodo di sintesi può essere fatto per intercalante metallo sfaccettatura controllatoparticelle, ossidi metallici, leghe metalliche nano.

Questo protocollo sintesi richiede un controllo preciso dei parametri sperimentali. In caso di guasto, la risoluzione dei problemi può essere focalizzata sulla concentrazione della soluzione, come indicato al punto 1.2 e 1.3. Il monitoraggio della temperatura con cautela è importante anche con particolare sensibilità associata a passi 1.4 e 1.6. Abbiamo osservato che una variazione di 0,5 ° C della temperatura della soluzione può risultare in un preparato fallito.

Gli sforzi della ricerca sono stati diretti ad affrontare la sfida della stabilità delle particelle d'oro per fare catalizzatore robusto per molti anni. Rispetto ai metodi tradizionali di preparazione di nanoparticelle di oro, come bagnatura incipiente precipitazione e diretta, questo metodo per rendere GMS possono stabilizzare nanoparticelle di oro nell'ambito pareti di silice, ottenendo così alti livelli di durabilità. La robustezza è stato confermato dall'esperimento stabilità termica come descritto nel proprocedura 3.

Utilizzando l'ossidazione di alcool benzilico come reazione di riferimento, il materiale GMS è dimostrato di essere attivo e riciclabile. L'applicazione di materiali simili (GMS, PTM, PDM, ecc) può essere estesa a processi catalitici, come la pirolisi, scissione dell'acqua e lo smaltimento dei rifiuti, fornendo un nuovo approccio per fornire un futuro verde e sostenibile.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
poly(ethylene glycol)-block-poly(propylene glycol)-block-poly(ethylene glycol) Aldrich 435465-250ML
tetraethoxysilane TCI 201-083-8
bis[3-(triethoxysilyl)propyl]-tetrasulfide GELEST SIB1825.0-100GM
chloroauric acid Aldrich 520918-1G
benzyl alcohol Sigma-Aldrich 305197-1L
nitrogen physisorption Micromeritics Tristar II
X-ray diffraction Philips X'Pert Pro
transmission electron microscopy Philips CM200
gas chromatography Shimadzu GC-2010

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References

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