פרוטוקול הסינתזה של חלקיקים בי-מתכתיים נוזלים יוניים, ההליך של שלהם בדיקות קטליטי הידרוגנציה סלקטיבי של aldehydes רוויים מתוארים.
נדגים שיטה לסינתזה של חלקיקים בי-מתכתיים המורכב Pt ו Sn. אסטרטגיה סינתזה משמש בו המאפיינים הכימי פיזיקלי מסוים של יונית נוזלים (ILs) מנוצלים כדי לשלוט בתהליכים התגרענות וצמיחה. חלקיקים בצורה sols colloidal היציבות colloidal גבוהה מאוד איל, אשר הוא מעניין במיוחד לאור השימוש בהם בתור זרזים ומעין הומוגנית. נהלים להפקת ננו-חלקיק שני בממיסים קונבנציונאלי ועבור nanoparticle משקעים מוצגים. גודל, מבנה והרכב של nanocrystals מסונתז מאושרות באמצעות inductively בשילוב ספקטרוסקופיה אטומית פליטת פלזמה (ICP-AES), קרני רנטגן ניתוח (XRD) ו במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) עם אנרגיה-ואנליזת ספקטרוסקופיית קרני רנטגן (EDX). על ידי זה, נראה כי nanocrystals הם אקראיים-סוג סגסוגת של גודל קטן (2-3 ננומטר). פעילות קטליטית ואת סלקטיביות ב הידרוגנציה של α, β-רוויים aldehydes נבחנה כור מסוג אצווה למחצה רציפה. בהקשר זה, חושפים חלקיקים מבוססות-Pt/Sn בי-מתכתיים של סלקטיביות גבוהה כלפי האלכוהול רוויים.
ILs מייצגים מלחים מותכת בטמפרטורת החדר של קטיונים אורגני גדול עם דפוסים החלפת אסימטרי. . הם הידוע בשל תכונותיהם הכימי פיזיקלי לא רגיל. ניתן לכוונן את המאפיינים איל על ידי שילובים שונים של קטיונים IL ו אניונים, עד עכשיו, שפע של ILs זמינים מסחרית. לאחרונה, מדענים התחיל שימוש ILs התגובה מדיה עבור הסינתזה של ננו-חלקיק בשל תכונותיהם הממס מודולרי ומעולה, נמוך לחץ אדים, קוטביות גבוהה, יציבות רחב אלקטרוכימי חלון1,2 , 3 , 4.
במהלך העשור האחרון, חלקיקים בי-מתכתיים משכו תשומת לב רבה כי הם הראו מרובות פונקציות, פעילות קטליטית בולטים, יציבות סלקטיביות וכן תרמי ו/או חומר כימי על monometallic שלהם עמיתיהם5,6,7,8,9,10. בשל תופעות סינרגטי, מבנים השטח ששונה אלקטרונית ו/או גיאומטריים, פעילות קטליטית גבוהה, selectivities יכול להיעשות להמרות כימי גם אם אחד המרכיבים הוא פחות או בכלל לא פעיל11. למרות הסינתזה לשליטה של חלקיקים פיתחה במהירות בשנים האחרונות, יש עדיין צורך שליטה מדויקת יותר על שלבים התגרענות וצמיחה לסינתזה של nanocrystals בי-מתכתיים. מאז מתכות שונות מעורבים nanocrystals בי-מתכתיים, התפלגות אטומי משפיע לא רק הארכיטקטורה nanoparticle הסופי, אלא גם את המאפיינים קטליטי. ההופעה קטליטי היא רגישה מאוד הטבע של הזמנת אטומית (קרי, סגסוגות אקראיות לעומת intermetallic מתחם) גם אם הרכב ואת סטויכיומטריה זהים בדיוק. זה מפתיע, כי, עד כה, מאפייני ILs אטרקטיביים הם פחות בחנו את הסינתזה מבוקרת של בי-מתכתיים nanocatalysts12,13,14,15, 16.
ב פרוטוקול זה, אנחנו נראה כיצד לנצל את המאפיינים יוצא דופן של ILs לסינתזה של חלקיקים בי-מתכתיים, אקראי סגסוגת מסוג. כאן, יכול להיות מסונתז חלקיקים קטנים מאוד עם גודל אחיד ללא התוספת של ליגנדים עזר בטמפרטורות תגובה מתונה. התגרענות ותהליכי צמיחה נשלטים ישירות על ידי אינטראקציות הקטיון/אניון איל מוטמעת, חלש. מספר שיטות מבוססות-Pt/Sn חלקיקים ידועים, אולם, פרוטוקולים סינתטי אלה בדרך כלל כרוכים או תומך ו/או סוכנים (כלומר, די חריפה תיאום פיתחה או ליגנדים) ייצוב17. ליגנדים/פיתחה הספוחה על פני ננו-חלקיק יכול לשנות או אפילו מונעים ביצועים קטליטי, לעיתים קרובות צריכים להיות במרוכז הוסר (לדוגמה, באמצעות טיפול חום) עבור יישום קטליטי. פרוטוקול זה מניב sols איל מבוססי ננו-חלקיק של דופן יציבות colloidal גבוהה ללא התוספת של ליגנדים חריפה תיאום כזה. חלקיקים התייצב בשקלים חשפו מאפיינים מעניינים כמו זרזים ומעין הומוגנית במגוון רחב של תגובות קטליטי18,19,20,21,22 ,23,24. ב פרוטוקול זה, הידרוגנציה סלקטיבי של α, β-רוויים אלדהיד (קרי, אלדהיד cinnamic) מתואר תגובת המודל כדי לחקור את הביצועים קטליטי של חלקיקים מיוצב IL ואת השפעת alloying פח על קטליטי פעילות של סלקטיביות25.
פרוטוקול זה נועד להבהיר את הפרטים של ההליכים סינתטי ניסיוני וכדי לסייע חדשים העוסקים בתחום כדי להימנע מלכודות נפוצות רבות המשויכות הסינתזה של חלקיקים בשקלים. הפרטים של אפיון חומרים כלולים בפרסום הקודם25.
מבשרי מלח מתכת הם בקפידה מומס [אומה] [NTf2] על ידי ערבוב את תערובת התגובה במשך הלילה, ואחריו ultrasonication. זהו צעד חשוב כדי להשיג Pt/Sn חלקיקים של הרכב הומוגני וגדלים. [אומה] [בטח3H] (כמו פתרון ב- tetrahydrofurane) ואז במהירות מוזרק עם מזרק בזמן נמרצות זע הפתרון צמיגה. זריקה מהירה ערבוב של שני הרכיבים היא תנאי הכרחי להשגת monodisperse וחלקיקים הומוגנית, עלולה להגביל את קנה המידה של ההליך. היווצרות nanoparticle מוצלח יכול להיות פיקוח על-ידי שינוי צבע צהבהב פתרון שחור. במהלך שלב זה, H2 נוצר כמוצר לוואי, ויש לפיכך, הצעד צמצום בפעולות זרם ארגון כדי למנוע לחץ של כלי השיט התגובה. מגע עם האוויר ויש לחות תימנע במהלך כל השלבים של ננו-חלקיק סינתזה. איל נוצרים חלקיקים Pt/Sn לאחר ההזרקה של הסוכן צמצום, איפה איל הקטיון ובקרת אניון איל שני התגרענות ומעבד צמיחה25. כתוצאה מכך, חלקיקים קטנים מאוד מתקבלים אשר בצורה יציב בצורה יוצאת דופן, colloidal סול [אומה] [NTf2]. גישה סינתטית זו אינה דורשת שימוש נוסף, חריפה תיאום ליגנדים, עשוי להיות מועסק עוד יותר כדי להשיג חלקיקים קטנים של שונים מונו – יצירות בי-מתכתיים.
Sols שבו חלקיקים הם ותשמרו את השנייה מעניינות מאוד על רקע יישומי קטליטי ומעין הומוגנית. עם זאת, בידודו של חלקיקים (למשל, עבור איפיון חלקיקים) הופך להיות די מאתגר עקב יציבות colloidal גבוהה השנייה. החלקיקים מבודדים כאבקה דביק על ידי משקעים עם tetrahydrofurane, צנטריפוגה רצופים. זהו צעד חיוני ביחס nanoparticle אפיון, למשל, על ידי ניתוח TEM או XRD. לחלופין, חלקיקים יכול להיות בנוסף functionalized, לחלץ בתור ממיס קונבנציונאלי, לאחר הוספה של ליגנד תיאום (קרי, N-oleylsarcosine) ב n-הקסאן ו acetonitrile סול nanoparticle מבוסס-IL. הדגימות ואז מטופלים נוספים כמו סול nanoparticle קונבנציונלי. באופן כללי, מאפייני משטח מסוים נדרשים בדרך כלל ביחס ביו או טכנית שיישום מסוים של חלקיקים. בשל התיאום חלשים של החלקיקים על פני השטח, ILs יכול להיות מוחלף על ידי ליגנדים אחרים בקלות. כתוצאה מכך, זה אפשרי להנדס את מאפייני השטח על פי דרישות ספציפיות של היישום באמצעות ההליך סינתטי נוכח. נוזלים מגנטיים בהתבסס על חלקיקים קטנים, פאראמגנטי קובלט, למשל., מוכנות בתקשורת המוביל או ארומטי aliphatic מגוונות (קרי, נפט, AP201 או L9 אדוארדס) בעקבות דומה הליך3,4 . לאחר החילוץ ננו-חלקיק, איל עשוי להיות ממוחזר, שימוש חוזר של ננו-חלקיק סינתזה.
ניתוח TEM של חלקיקי מבוצעת על ידי הפקדת בשכבה דקיקה של סול nanoparticle ברשת TEM. . הנה, הפירוק של איל ב כשקרן האלקטרונים וזיהום רצופים של המדגם TEM עשוי לייצג אתגר אמיתי לשיקוף על חלקיקים קטנים. לחלופין, חלקיקים precipitated שהופקדו על הרשת TEM, נחקרים על ידי ניתוח TEM. במקרה זה, החלקיקים בדרך כלל בצורת מבנים מאוד צבורים. איור 1a -d מציג תמונות TEM של חלקיקים איל מציג חלקיקי מאוד קטן ורגיל של 2-3 ננומטר קוטר. עבור כל הדגימות, TEM-EDX ניתוח מאשר נוכחותם של טין והן פלטינה של החלקיקים (איור 1e).
כדי להראות את אבקות מסוממים עם התו ואת המבנה סגסוגת אקראי-סוג של חלקיקים, קרני רנטגן דפוסי נאספים עבור אבקות nanoparticle. הדפוסים XRD לאשר שהפנים ממורכז מעוקב (fcc) ומבנה סגסוגת אקראי-סוג של החלקיקים (איור 1f). מבנה סגסוגת אקראי הוא אחת הצורות ביותר המקובלת בחלקיקים בי-מתכתיים, שבו שני הרכיבים באופן אקראי (או כמעט באקראי) פרוסות בצורת חלקיקים. עבור מערכת Pt-Sn, גם היווצרות של כמה תרכובות בין-מתכתיות ידועה (כלומר, PtSn, PtSn4, PtSn2, Pt2Sn3ו- Pt3Sn)17,26. הורה סגסוגת אקראי בין-מתכתיות ומבולבלת מבנים עשויים להיות מאופיינת את הנוכחות ואת היעדר דפוסים נוספים עקיפה נגזר superlattice מבנים. ה-fcc פלטינה לאפיון השתקפויות-40°, 45°, 68° ו ° 82 (2) המתאים (111), (200), (220), מטוסים (311). עבור כל מבוססות-Pt/Sn חלקיקים, התבנית XRD מציג ארבעה השתקפויות האופיינית של שלב ה-fcc פלטינה. לעומת העמדות של ההשתקפויות של ההפניה פלטינה טהורה, עם זאת, ההשתקפויות של חלקיקים מבוססות-Pt/Sn יוזזו לזוויות בראג קטנים יותר. שינוי זה לזוויות בראג קטן מצביע על גידול של הפרמטרים סריג על-ידי ההוספה של אטומי בדיל לתוך השבכה fcc פלטינה. בתבניות XRD, השתקפויות האופייני הסידור האטומי בשלב בין-מתכתיות (קרי, Pt3Sn) שאינם קיימים. הדבר מצביע על היווצרות הליבה אבקות מסוממים עם ננו-חלקיק עם התפלגות אקראית של פלטינה, פח. הירידה של PdCl2 אל Sn(ac) יחס קודמן2 מ 3:1 1:1 מוביל בנוסף שוקולדים קטנים2 חלקיקים ב מטווח קרוב ל חלקיקים Pt/Sn אקראי סגסוגת מסוג סנובורד2 נוצר על ידי פירוק של קודמן2 Sn(ac). אם Sn(ac)2 הוא הגיבו [אומה] [בית3H] בתנאים באותה התגובה בהיעדרו למבשר פלטינה, סנובורד, סנובורד2 מתקבלים כמוצרים התגובה העיקריים. אם Sn(ac)2 הוא מוחלף על ידי בדיל (II) כלוריד (SnCl2), הגיבו [אומה] [בית3H] בנוכחות למבשר פלטינה (PtCl2), נוצרות באופן בלעדי אמורפי חלקיקים והוא כדורי שלג2 זוהה. התוכן פח הליבה nanoparticle ניתן עוד יותר לנתח אם נחוש באמצעות ניתוח Rietveld הקבועים סריג. על פי החוק של Vegard, הפרמטרים סריג להגדיל באופן ליניארי בין הפרמטרים סריג של חלקיקים Pt טהור (3.914 Å) לבין השלב Sn3נק’ (4.004 Å). בעקבות גישה זו, הקופסה הליבה nanoparticle גבישי מחושב עד 11% (כלומר, עבור PtCl2 / Sn(ac)2 קודמן יחס של 3:1) עולה על 18% (כלומר, עבור PtCl2 / Sn(ac)2 קודמן יחס של 1:1). התוכן בדיל הכולל של 21% ל- 55%, בהתאמה, נקבעת על-ידי ניתוח של ICP-AES ועולה לכן, הסכום של פח הליבה nanoparticle. ניתן להקצות את התוכן באופן כללי פח גבוה יותר כדי היווצרות נוספים של שוקולדים,2 (כלומר, כ- 26%) וכדי כמה סגרגציה של אטומי בדיל על פני nanoparticle. ספקטרה photoelectron רנטגן נוספת לאשר הנוכחות של Pt0/Sn0 (כלומר, עבור PtCl2 Sn(ac)2 קודמן יחס של 3:1) ו- Pt0/Sn0 בשילוב שוקולדים 20%2 (כלומר, עבור PtCl2 Sn(ac)2 קודמן יחס של 1:1) בחלקיקים מבוססות-Pt/Sn, וזה מתאים עם התוצאות של ניתוח XRD25. הפסגה הרחבת נובע Scherrer המסובכים גודל הקריסטל סופיים. גודל חלקיקים מחושבת באמצעות המשוואה Scherrer עבור חלקיקים מבוססות-Pt/Sn כדי 2.4 nm (קרי, Pt:Sn 1:1), 2.5 ננומטר (קרי, Pt:Sn 3:1), ועבור ההפניה nanoparticle נק’, 2.7 ננומטר, בהתאמה, אשר הוא בקנה אחד עם התוצאות של ניתוח TEM.
הטרנספורמציה של α, β-רוויים aldehydes כדי כהלים רוויים ויה הידרוגנציה סלקטיבית היא מהותית כימיה קטליטי, שלב קריטי לייצור כימיקלים שונים25,27. למרות תרמודינמיקה טובות היווצרות של aldehydes רווי, מידת הבררנות לקראת היווצרות כהלים רוויים יכול להיות גדל באופן משמעותי על זרזים מבוסס-Pt בי-מתכתיים על-ידי התאמת הגודל שלהם, הרכב ואת התמיכה שלהם חומר. שילוב מתכת electropositive (למשל., Sn) לתוך ההפניות פלטינה כדי השינוי אלקטרונית של הלהקה d Pt אשר מוריד את האנרגיה מחייב עבור הקשר C = C של אלדהיד רוויים27. האטומים Sn אלקטרון לקויה יכולה לפעול נוספים כאתרי ספיחה חומצת לואיס קבוצת קרבוניל;28. יתר על כן, חמצן ריק אתרי בכתמים2-x כדי לראות בקשר Pt מודגמות גם לקדם קרבוניל ספיחה, הידרוגנציה העוקבים שלה על ידי אטומי מימן אשר המסופק באמצעות פלטינה הסמוך אתרי29. בסך הכל, דוגמאות אלה מראים כי הביצועים קטליטי של זרזים מבוסס-Pt בי-מתכתיים נשלטת על ידי מערכת מורכבת של גורמים. ב פרוטוקול זה, אנו משתמשים של הידרוגנציה של אלדהיד cinnamic כתגובה מודל לא רק כדי לחקור את הביצועים הכוללת קטליטי של חלקיקים מיוצב IL אבל יותר להבהיר את השפעת alloying פח על הפעילות ועל מידת הבררנות של Pt חלקיקים. איור 2 מציג מסלולים אפשריים ומוצרים התגובה העיקריים הידרוגנציה של קאל. בהתחלה, המאפיינים קטליטי של חלקיקים הפניה Pt נבדקים על הידרוגנציה של קאל. במקרה זה, אלדהיד רוויים (קרי, HCAL) מתקבל תוצר התגובה היחידה לאחר 3 שעות של התגובה, ואת ההמרה קאל Xקאל היא 5% (3h) ו-9% (ח 22), בהתאם. לאחר alloying של Pt עם Sn ב חלקיקים בי-מתכתיים, מידת הבררנות של המוצר הוא זז בבירור לכיוון האלכוהול רוויים (קרי, כאו) (איור 3). מידת הבררנות Sכאו הוא 100% (כלומר, עבור חלקיקים מסונתז על ידי טוחנת PtCl2/Sn(ac)2 יחס של 1:1), 80% (כלומר, עבור חלקיקים מסונתז על ידי PtCl טוחנת2 / Sn(ac)2 יחס של 3:1), ו- 83% (כלומר, עבור חלקיקים מסונתז על ידי PtCl טוחנת2 / SnCl2 יחס של 1:1) לאחר 3 שעות של תגובה כך, בהמשך הושפע ההרכב nanoparticle בפועל. תוף ירידה מ- 28 h-1 כ 8 שעות-1 עבור החלקיקים מסונתז על ידי PtCl טוחנת2 / Sn(ac)2 יחס של 3:1 ו- 1:1, בהתאמה, וכדי 7 h-1 עבור חלקיקים שהושג באמצעות SnCl2 במקום Sn(ac)2 עם שן טוחנת PtCl2/SnCl2 יחס של 1:1, בהתאם. ההמרה קאל Xקאל הוא 25% (3h) ו- 84% (ח 22) עבור חלקיקים מבוססות-Pt/Sn (כלומר., PtCl שן טוחנת2 / יחס2 Sn(ac) 3:1) אשר מוביל התשואה הגבוהה ביותר ב כאו (Yכאו 20% (3h)) בין חלקיקים חקר במחקר זה. על מנת להעריך את הביצועים הכוללת קטליטי של המערכת, שני היבטים, קרי, סלקטיביות קטליטי, פעילות, צריכים להילקח בחשבון, ועל כך, חלקיקים Pt/Sn המוכנים של ראשוני טוחנת PtCl2/Sn(ac)2 יחס של 3:1 בבירור ביצועים טובים יותר כל שאר החלקיקים Pt -, מבוסס על Pt/Sn חקר במחקר שלנו מבחינת התשואה cinnamic אלכוהול. לפיכך, ביצועים מצוינים קטליטי במקרה זה נראה כי תוצאה של Sn להזרקות של Pt חלקיקים איזון פעילות, סלקטיביות לאלכוהול cinnamic במערכת. יש לציין כי הריק ניסוי משתמש באותם תנאים התגובה אבל בלי nanoparticle זרז לא הראה שום המרה של אלדהיד cinnamic לאחר 22 h של תגובה.
הראו הליך סינתטי לשליטה הכנת חלקיקים קטנים, מבוססות-Pt/Sn אקראי סגסוגת מסוג מבנה על ידי ניצול הכימי פיזיקלי המועילות של ש ח. גישות משקעים שיתוף בדומה שכבר הוחלו על מגוון רחב של חלקיקים בי-מתכתיים, ממיסים קונבנציונאלי, אנו מצפים כי סוגי סגסוגת אקראיים והן בין-מתכתיות חלקיקים שניתן להשיג על ידי גישה זו יהיה ממשיכים להתרחב. החשיפה חלקיקים מעניין קטליטי נכסים הידרוגנציה קטליטי אלדהיד cinnamic, של סלקטיביות גבוהה בצורה משמעותית α, β-רווי אלכוהול cinnamic מושגת על-מבוססות-Pt/Sn חלקיקים.
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי קרן המדע הגרמני בתוך התוכנית עדיפות (SPP1708) “חומר סינתזה ליד בטמפרטורת החדר” (פרויקטים להיות פיינטבול לייזר/3-1 ולהיות פיינטבול לייזר/3-2). אנו להכיר עוד הרמן קוהלר לסיוע ניסיוני וכן ד ר כריסטיאן Kübel, וואנג וו לקבלת תמיכה בלימודים מיקרוסקופ אלקטרונים.
Platinum(II) acetate (PtCl2) | Acros | ACRO369670010 | 99%, anhydrous, toxic |
Tin(II) acetate (Sn(ac)2) | Strem | 50-1975 | 99% |
Tin(II) chloride (SnCl2) | Sigma Aldrich | 452335 | 98%; harmful |
Methyltrioctylammonium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide ([OMA][NTf2]) |
IoLitec | IL-0017-HP | 99 %; n.a.; H2O < 100 ppm; halides < 100 ppm |
Tetrahydrofurane | Sigma Aldrich | 186562 | 99.9 %; anhydrous; carcinogenic |
Acetonitrile | Sigma Aldrich | 271004 | 99.8%; anhydrous; harmful |
n-Hexane | Sigma Aldrich | 95%, flammable, carcinogenic, toxic | |
(Trans)-cinnamaldehyde | Sigma Aldrich | 14371-10-9 | 99%; irritant |
Methyltrioctylammonium bromide | Sigma Aldrich | 365718 | 97%; irritant |
Potassium hydride (KH) | Sigma Aldrich | 215813 | 30 wt.-% dispersion in mineral oil; corrosive |
Triethylborane (B(Et)3) | Witco | 257192 | 95%; toxic, pyrophoric |
N-oleylsarcosine (Korantin-SH) | BASF | ||
H2 | Air Liquide | 99.9 %, flammable |