Síntese e desempenho catalítico de ouro intercalados nas paredes de mesoporosos Silica

1Department of Chemistry and Geochemistry, Colorado School of Mines
Published 7/09/2015
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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

Como um promissor reactor nano cataliticamente activo, intercalados em nanopartículas de ouro mesoporosa de sílica (GMS) foram sintetizados com êxito e propriedades dos materiais foram investigados. Usamos uma abordagem sol-gel um pote de intercalar nano partículas de ouro nas paredes de sílica mesoporosa. Para começar a síntese, P123 foi utilizado como molde para formar micelas. Então TESPTS foi utilizado como um agente de modificação da superfície para se intercalam nano partículas de ouro. Seguindo este processo, TEOS foi adicionado como uma fonte de sílica que foi submetido a um processo de polimerização em meio ácido. Após o processamento hidrotérmico e calcinação, o produto final foi adquirida. Várias técnicas foram utilizadas para caracterizar a porosidade, morfologia e estrutura do intercalada sílica mesoporosa ouro. Os resultados mostraram uma estrutura estável de sílica mesoporosa após intercalação ouro. Através da oxidação de álcool benzílico como um valor de referência de reacção, os materiais de GMS mostraram alta selectividade e reciclagem.

Introduction

Como uma tecnologia emergente que tem um grande potencial em aplicações de catálise, materiais em nanoescala receberam interesse de pesquisa intensiva nas últimas décadas. Entre os catalisadores nanoescala relatado, os catalisadores de metais nobres, tais como Au, Ag, Pd e Pt têm atraído a atenção mundial 1-3. Seleccione reações catalíticas incluem a oxidação de monóxido de carbono pesquisadores em Au, Heck reacção em catalisadores de paládio, e divisão de água com Pt. Apesar do potencial promissor catalítica, ouro escala nano é limitada na sua aplicabilidade devido à desactivação do envenenamento, coque, degradação térmica, e sinterização. Tem sido relatado que o ouro, como um representante para os metais nobres, tem uma selectividade elevada e é menos propenso a lixiviação de metais pesados, a sobre-oxidação e auto-envenenamento 4. No entanto, a performance catalítica de ouro depende fortemente do tamanho da partícula. Haruta et al., Relatou a relação entre o desempenho catalítico e irdiâmetro aglomerado ld, demonstrando a maior atividade de catalisadores de ouro com tamanho de partícula ~ 2,7 nm 5.

O tamanho das partículas dos metais nobres pode ser controlada pelo método de preparação 6-9; no entanto, o grande obstáculo para uma aplicação ampla permanece a agregação e perda de actividade. Para resolver o problema de sinterização, é um método comum para imobilizar as partículas em nano-escala sobre um material de suporte. Vários materiais de apoio foram aplicadas incluindo sílica porosa 10-11, óxidos metálicos semicondutores 12-13, polímeros 14, o grafeno e os nanotubos de carbono 15 16. Entre os materiais utilizados, a sílica porosa é de um material atraente como um apoio, porque é apenas levemente ácida, relativamente inerte, termicamente e quimicamente estável, e podem ser preparadas com muito bem definido meso / micro-porosidade. A estrutura porosa oferece um bom suporte para partículas de metal, mas também dá acesso tamanho do substrato seletiva paraos catalisadores de metal. Esta selectividade é particularmente promissora devido à capacidade de afinação relacionado com estes materiais porosos. Muitas vezes, as partículas de ouro são encontrados para ser extremamente móvel em superfícies de sílica e 17-18 formam facilmente muito grandes (50+) nm partículas não reactivos quando exposto a altas temperaturas, tornando assim difícil para preparar nanopartículas de ouro em sílica 19. Mukherjee et ai. Relataram a imobilização de nanopartículas de ouro sobre mesoporosa de sílica monodispersas MCM-41 de 3-aminopropil-trimetoxi-silano e 3-mercaptopropil-trietoxissilano, e as nanopartículas de ouro apoiados foram encontrados como sendo altamente activo para reacções de hidrogenação e não lixiviação de ouro foi encontrado 20 na reacção.

Seguindo o relatório de modificação da superfície de sílica mesoporosa, que relataram um método para preparar ouro intercalado na parede de sílica mesoporosa (GMS). Além disso, a abordagem de sílica mesoporosa suportada oferece um ap escaláveldagem para alterar potencialmente o catalisador e independentemente ambiente poroso. Desde processos catalíticos são de vital importância económica, os benefícios poderiam ser de grande alcance. A capacidade de desenvolver catalisadores "verdes" teria um profundo impacto positivo sobre o meio ambiente e melhorar a viabilidade e recurso econômico eficiência dos processos industriais importantes.

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Protocol

1. Preparação de GMS

  1. Use todos os produtos químicos no processo seguinte como recebidos.
  2. Preparar 75 ml de 2 M de solução de ácido clorídrico (HCl). Pesar 2,0 g de poli (etilenoglicol) -bloco-poli (propileno glicol) -bloco-poli (etileno-glicol) (P123, PM = 5800) e transferir para o preparado 75 ml de solução 2 M de HCl. À TA, aplicar agitação magnética à solução a uma velocidade de 350 r / min, até que esteja completamente dissolvido P123. A solução ficará claro.
  3. Pesar 4 g de tetraetoxissilano (TEOS, PM = 208,33) num pequeno vaso de reacção e transferência de 180 uL de cloreto de bis [3- (trietoxissilil) propil] -tetrasulfide (TESPTS, PM = 538,94) para dentro do frasco. Lentamente agitar o frasco para misturar os dois produtos químicos. Num outro frasco, pesar 38 mg de ácido cloroáurico (HAuCl 4, 99,90%) e dissolver em 1 ml de água Dl.
  4. Aumentar a temperatura da solução P123 a 35 ° C num banho de óleo com temperatura controlada por termopar.
  5. Adicione toda a mistura de TEOS eTESPTS preparado no passo 1.3 para a solução P123, e manter a solução em agitação magnética vigorosa de 700 r / min. Manter a solução agitar durante 2 min, depois adicionar toda a solução de HAuCl 4, preparado no passo 1.3, gota a gota dentro de 30 seg.
  6. Manter a solução em agitação a 700 r / min durante 24 horas a 35 ° C.
  7. Após 24 horas, transferir a solução para um frasco e armazenar selado num forno regulado a 100 ° C durante 72 h. Isso é chamado de processamento hidrotérmico.
  8. Após o processamento hidrotérmico, filtrar a solução com um papel de filtração # 1 e sob uma pressão negativa de um funil, em seguida, lava-se com água duas vezes e etanol três vezes para remover o HCl restante. Durante cada processo de lavagem, adicionar água ou etanol 1 cm acima sólido e esperar que o material secar.
  9. Transferir precipitação a partir de filtração para um cadinho de material cerâmico e calcinado a 550 ° C durante 4 h. Definir o programa de rampa como se segue: 25 ° C a 550 ° C durante 2 horas, manter a 550 ° C durante 4h, depois deixar a amostra permanecer no forno com a porta fechada até que a temperatura desce abaixo de 40 ° C.
  10. Após calcinação, transferir o produto para um frasco de vidro com uma espátula de plástico. O material sintetizado tem uma cor vermelha.

2. A reacção catalítico, a oxidação do álcool benzílico

  1. Uma vez que a oxidação do álcool benzílico é uma reacção em fase líquida sem um solvente separado, medida 5 ml de álcool benzílico (99,8%) e transferi-lo para um balão de 25 ml de três tubuladuras, em seguida, pesar 10 mg de catalisador de GMS e adicionar a benzilo álcool.
  2. Defina-se um banho de óleo com temperatura controlada com agitação magnética para garantir um controlo preciso e uniforme da temperatura da reacção.
  3. Colocar o balão com álcool benzílico e o catalisador para o banho de óleo, em seguida, ajustar a temperatura para 100 ° C e agita-se a 150 r / min.
  4. O caudal de gás de oxigénio com 99,9% de pureza para o balão a 2 ml / min controlados por um controlador de fluxo de massa.
  5. Quando otemperatura do banho de óleo atinge 100 ° C e estabilize, introduzir gás de oxigénio para o balão de três tubuladuras.
  6. Manter constante a taxa de fluxo de oxigénio e de temperatura, e deixar a reacção prosseguir durante 6 horas.
  7. Após a reacção, filtra-se o produto com um papel de filtração # 1. Recolher a fase líquida e transferência de uma alíquota para um frasco de cromatografia em fase gasosa (GC). No frasco de GC, misturar ácido acético quatro partes para HPLC, para cada uma parte de amostra (Por exemplo, use 36 amostras ul e 144 ul de ácido acético.) Coloque o frasco em um amostrador automático cromatógrafo a gás para análise. Lavar o precipitado sólido no papel de filtro com água desionizada e etanol, em seguida deixar secar ao ar. Recolhe-se o sólido seco com uma espátula de catalisador reciclado.
  8. Repetir o mesmo procedimento experimental do passo 2.3 a 2.7 com catalisador reciclado três vezes. Em cada repetição, ajustar a quantidade de álcool benzílico para coincidir com o rácio descrito no passo 2.2.

3. Thermal Tratamento de GMS para Teste de Estabilidade térmica

  1. Pesar três porções de 300 mg separadas de GMS sintetizados, e armazená-los em frascos de vidro. Estes são marcados como lote 1, lote 2 e 3. Mantenha lote lote 1 como grupo controle, e colocar em lotes 2 e 3 de lote em uma fornalha para o processamento térmico.
  2. Programa do forno como se segue para o processamento a 400 ° C: rampa de 25 ° C a 400 ° C em 0,5 horas, mantida a 400 ° C durante 4 horas, deixar a amostra permanecer no forno com a porta fechada até que as quedas de temperatura abaixo de 40 ° C. Coloque lote 2 em um cadinho e iniciar o programa.
  3. Programa do forno como se segue para o processamento a 650 ° C: rampa de 25 ° C a 650 ° C em 0,75 horas, manutenção a 650 ° C durante 4 horas, deixar a amostra permanecer no forno com a porta fechada até que a temperatura desce abaixo do 40 ° C. Coloque lote 3 em um cadinho e iniciar o programa.

4. CaracterizaçãoMateriais de GMS 21,22

  1. No instrumento fisiossorção, desgaseifica GMS materiais com o seguinte programa: 90 ° C durante 60 min e, em seguida, a 350 ° C durante 480 min. Executar análise completa-isotérmica sobre os materiais desgaseificados para obter dados fisiossorção.
  2. Dispersar amostra GMS em uma grade TEM carbono holey 200-mesh e observar a amostra sob um microscópio eletrônico de transmissão. Restringir ampliação sob 44,000X para proteger o material.
  3. DRX correr com Cu Ka radiação (λ = 1,5418 Å). Set tensão de tubo de 45 kV e corrente do tubo de 40 mA. Recolhe intensidade na gama 2θ entre 10 ° e 90 ° com um tamanho de passo de 0,008 ° e um tempo de medição de 5 segundos em cada passo.

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Representative Results

Este método foi utilizado para comparar os níveis de síntese do heme em condições normais (HBEC30KT) vs cancerosas (células de pulmão HCC4017). A Figura 2 mostra um nível mais elevado da síntese de heme em células de cancro (HCC4017) do que as células normais de pulmão (HBEC30KT). O nível de síntese do heme foi medido também em células normais e cancerosas, na presença de cianeto de carbonilo mitocondrial desacoplador 3-clorofenilhidrazona (CCCP). As células foram tratadas com 10 mM de CCCP, durante 24 h antes da medição dos níveis de síntese do heme. Como esperado, os níveis de síntese do heme (Figura 2) diminuiu na presença de CCCP em ambas as células normais e cancerosas. Foi demonstrado anteriormente que a síntese de heme pode ser inibida por succinil acetona (SA), um inibidor potente e específico da desidratase do ácido 5-aminolevulínico (ALAD), que é a segunda enzima heme em bio. O material GMS sintetizado foi caracterizado por meio do microscópio electrónico de transmissão (TEM), difracção de raios-X (DRX) e azotofisiossorção.

Como mostrado na Figura 1 (lote 1 GMS), imagens de TEM revelar a estrutura mesoporosa de sílica. A matriz de sílica formada canais longos bem definidas com parede estável. O diâmetro de poro de MET foi identificado como sendo cerca de 5 nm e hexagonal na forma como é típico para mesoporosa de sílica. Imobilização de nanopartículas de ouro foi obtida a partir do processo de síntese, como evidenciado a partir da imagem TEM, não havia partículas de ouro explicitamente distribuídos sobre a superfície ou no canal mesoporoso, indicando que as partículas de ouro foram intercaladas com sucesso nas paredes da matriz de sílica mesoporosa.

Para consolidar ainda mais se as partículas de ouro são intercaladas nas paredes da matriz de sílica, foi utilizado fisiossorção nitrogênio. Figura 2A é a isotérmica BET fisiossorção para matriz de sílica, sem intercalação ouro, figura 2B é para GMS com ouro intercalados emas paredes (lote 1). Como pode ser visto a partir da figura, não houve diferença significativa entre os dois materiais. Ambos apresentaram a forma típica para materiais mesoporosos com um ciclo de histerese. Isto indica ainda a intercalação de ouro não impor qualquer alternância na estrutura de poros (tamanho dos poros, forma ou volume), que tomados em conjunto com o DRX e MET (mostrando o ouro está na forma de partículas de 4 nm) fortemente infere que o ouro são partículas nas paredes da matriz de sílica.

As nanopartículas de ouro, promissores como catalisadores, sofrem de sinterização e a perda de actividade a temperaturas elevadas. Material de GMS sintetizado com este método exibe estabilidade térmica sem agregação observada após aquecimento. Os materiais GMS tratados a várias temperaturas elevadas, foram caracterizados por fisiossorção. A Figura 3A e 3B são BET estrutura de poros e distribuição de poro para o material BJH GMS calcinados a diferentes temperaturas. Comoindicado na figura, a alta temperatura de calcinação não alterou a matriz de sílica mesoporosa. Além disso, tanto a estrutura dos poros e da distribuição dos poros permaneceu a mesma após o tratamento de temperatura tão alta como 650 ° C (ou seja, o ouro não agregado e dos poros do bloco).

A estabilidade térmica do ouro em GMS foi adicionalmente verificado por DRX. A Figura 4 é o padrão de XRD de material GMS calcinados a diferentes temperaturas. Os dois picos correspondia a Au (110) e Au (111). Localização de pico, a intensidade de pico e largura de pico (todos os indicadores de agregação e de tamanho das partículas) não mostraram qualquer mudança devido ao processo de calcinação, o que indica que as partículas de ouro não se alterou em tamanho ou morfologia. A alta estabilidade é muito promissor para reacções catalíticas em condições adversas.

Usando a oxidação do álcool benzílico com benzaldeído na forma de um valor de referência, as propriedades catalíticas de GMS foram estudados. A 100 ° C, GMS servidotão bom catalisador para a reacção de oxidação. A conversão do álcool benzílico foi de 44,1%, e a selectividade no sentido de benzaldeído foi de 92,8%. Experimentos de reciclagem de GMS foram conduzidos com o material GMS; os resultados estão apresentados na Tabela 1. Tal como pode ser visto a partir da tabela, GMS material exposto boa reciclabilidade. Para cada rodada do experimento reciclagem, a conversão do álcool benzílico diminuiu ligeiramente, provavelmente devido a pequenas perdas de catalisador na transferência. Mesmo após a terceira reciclagem tempo, selectividade permaneceu a um nível elevado, em torno de 90%.

Figura 1
Figura 1. imagem TEM de material de GMS. Por meio de microscopia electrónica de transmissão, observou-se a morfologia do material de GMS. Mesoporosa de sílica serve como matriz para o material de GMS; a estrutura mesoporosa de sílica foi mostrado em duas orientações diferentes. A imagem TEM ilustrou claramente bem definida longocanais e poros hexagonais de sílica mesoporosa. Durante a formação de material de GMS, a estrutura básica da matriz mesoporosa não foi afetada:. Poros não foram bloqueadas por nano partículas de ouro por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. BET estrutura de poros da matriz de sílica e material de GMS. (A) A estrutura de poros BET de matriz de sílica mesoporosa sem intercalação de ouro. (B) A estrutura do poro do material de BET GMS. Fisissorção de azoto foi utilizada para demonstrar ainda mais a estabilidade dos poros. Isotérmica fisiossorção completa foi realizada em material de GMS com sílica mesoporosa como grupo controle. Tanto a isotérmica de sílica mesoporosa e material de GMS mostrou isotérmica com laço de histerese para material típico mesoporosos como definido pela IUPAC. ºformação e de nano partículas de ouro não estava a bloquear o canal nem os poros na matriz mesoporosa. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. BET estrutura dos poros (A) e distribuição de poro BJH (B) de materiais de GMS calcinados a diferentes temperaturas elevadas. Fisiossorção Azoto foi novamente utilizado para a investigação sobre a estabilidade térmica de materiais GMS. Material tratado a 400 ° C e 650 ° C foram medidos junto com o material original que foi identificada como AS-preparado no gráfico. Para materiais GMS calcinados a diferentes temperaturas, não foram observadas alterações na isotérmica ou a distribuição do poro BJH. Os resultados provaram que GMS material era termicamente estável em altas temperaturas, e nenhuma alteração estrutural na matriz mesoporosa. <a href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/52349/52349fig3highres.jpg" target = "_ blank"> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
Figura 4. padrão de XRD de material GMS calcinados a diferentes temperaturas. Difracção de raios X foi usado para mostrar a estabilidade térmica de nanopartículas de ouro. Materiais tratados a 400 ° C e 650 ° C foram medidos junto com o material original que foi identificada como AS-preparado no gráfico. Durante a alta temperatura de calcinação, a localização de pico e pico altura de nanopartículas de ouro não passam por mudanças, provando que as nanopartículas de ouro não alterou em termos de estrutura, fase ou morfologia. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1. Conversão de umd selectividade da oxidação do álcool benzílico com GMS reciclada três vezes.

A conversão do álcool benzílico (%) Selectividade de benzaldeído (%)
GMS ciclo 44,1 92,8
GMS ciclo 37,2 89,6
GMS ciclo 35,3 90,1

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Discussion

Dentro do protocolo de síntese, a atenção a concentração de agente tensioactivo, pH da solução e a temperatura de reacção é crítica para o sucesso da formação de GMS. Os passos críticos são 1.2, 1.3, 1.4 e 1.6. Os parâmetros acima mencionados controlar o parâmetro de embalagem crítico e fase de micelas formadas a partir de surfactante. A fase e a morfologia das micelas determina o estado final de matriz de sílica, que serve como o quadro de GMS. Também importante no processo de formação é a sequência e tempo para adicionar a solução de HAuCl. TEOS e TESPTS agir como o agente de modificação da fonte de sílica e a superfície, respectivamente. Adicionando os dois produtos químicos assegura primeira polimerização adequada de sílica em micelas e incorpora o elo de enxofre na parede de sílica, que vai atrair mais átomos de ouro para formar aglomerados nano ouro. Sequência apropriada e tempo assegurar que as partículas de ouro será intercalada nas paredes da matriz de sílica em vez de dispersos na superfície.

A síntese de GMS com esta abordagem fornece um novo paradigma de imobilizar partículas de ouro em suportes de sílica mesoporosa. Como GMS apresenta grande estabilidade térmica, elevada actividade catalítica e boa reciclabilidade, este material é muito promissor na produção em lotes e aplicação no processo catalítico industrial. A intercalação de sucesso de ouro é uma prova de conceito estudo, com possibilidade de intercalação de outros metais cataliticamente activos sob protocolo semelhante. Modificações podem ser feitas para o presente protocolo para sintetizar AGMS, PTMs e PDMS. O procedimento de modificação pode ser simplesmente ajustada mudando o sal de metal tal como descrito na etapa 1.3. Substitua ácido cloroáurico com correspondente Ag, Pt ou Pd sal. As modificações podem também ser feitos através da alteração do tamanho de partículas nano ouro de acordo com os procedimentos relatados e seguindo o procedimento de intercalação 23. A expansão adicional deste método de síntese pode ser feita a intercalação controlado com faceta de metalpartículas de óxidos de metais, e as ligas metálicas nano.

Este protocolo de síntese requer um controle preciso de parâmetros experimentais. Em caso de falha, resolução de problemas pode ser focada sobre a concentração da solução, conforme listado na etapa 1.2 e 1.3. Cuidadosamente o controlo da temperatura é também importante com sensibilidade particular associado com os passos 1.4 e 1.6. Observou-se que uma alteração de 0,5 ° C na temperatura da solução pode resultar numa preparação falhou.

Os esforços de pesquisa têm sido direcionados para enfrentar o desafio da estabilidade de partículas de ouro para fazer catalisador robusto para muitos anos. Em comparação com os métodos tradicionais de preparação de nano partículas de ouro, como a humidade incipiente e precipitação directa, este método para fazer GMS pode estabilizar nano partículas de ouro no quadro paredes de sílica, conseguindo assim elevados níveis de durabilidade. A robustez foi confirmado pela experiência estabilidade térmica tal como descrito no próprocedimento 3.

Usando a oxidação do álcool benzílico como reação de referência, o material de GMS é provado ser ativo e reciclável. Aplicação de materiais semelhantes (GMS, PTMs, PDMS, etc.) pode ser estendida para processos catalíticos, como a pirólise, a separação da água e eliminação de resíduos, proporcionando uma nova abordagem para fornecer um futuro verde e sustentável.

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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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