Bereiding van zilver-palladium gelegeerde nanodeeltjes voor plasmonische katalyse onder zichtbare lichtverlichting

Van de verschillende toepassingen van metalen nanodeeltjes (NPs) verdient katalyse speciale aandacht. Katalyse speelt een centrale rol in een duurzame toekomst, draagt bij aan minder energieverbruik, een beter gebruik van grondstoffen en maakt schonere reactieomstandigheden^{mogelijk 1,2,3,4}. Vooruitgang in katalyse kan dus hulpmiddelen bieden om de atoomefficiëntie van chemische processen te verbeteren, waardoor ze schoner, economisch levensvatbaarder en milieuvriendelijker worden. Metalen NPs die zilver (Ag), goud (Au) of koper (Cu) omvatten, kunnen interessante optische eigenschappen vertonen in het zichtbare bereik die voortvloeien uit de unieke manier waarop deze systemen interageren met licht op nanoschaal via de gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) excitatie^5,6,7,8. In deze NPs, aangeduid als plasmonische NPs, omvat de LSPR de resonerende interactie tussen de incidentfotonen (van een inkomende elektromagnetische golf) met de collectieve beweging van elektronen^5,6,7,8. Dit fenomeen vindt plaats met een karakteristieke frequentie die afhankelijk is van de grootte, vorm, samenstelling en diëlektrische constante van de omgeving^9,10,11. Voor Ag, Au en Cu kunnen deze frequenties bijvoorbeeld variëren van het zichtbare tot het bijna-IR, waardoor mogelijkheden voor het gebruik van zonne-energie worden geopend om hun LSPR^{5,6, 7,8, 12,13}op te wekken .

Onlangs is aangetoond dat de LSPR-excitatie in plasmonische NPs kan bijdragen aan het versnellen van de snelheid en het beheersen van de selectiviteit van moleculaire transformaties^{5,14,15,16,17,18,19}. Dit gaf aanleiding tot een veld genaamd plasmonische katalyse, dat zich richt op het gebruik van energie uit licht om chemische transformaties^{5,14, 15,}16,^17,18,¹⁹te^versnellen,aan te drijven en/of te beheersen. In dit verband is vastgesteld dat de LSPR-excitatie in plasmonische NPs kan leiden tot de vorming van energetische hete elektronen en gaten, aangeduid als LSPR-opgewonden hete dragers. Deze dragers kunnen interageren met geadsorbeerde soorten door middel van elektronische of trillingsactivering^15,16. Naast verhoogde reactiepercentages kan dit proces ook alternatieve reactieroutes bieden die niet toegankelijk zijn via traditionele thermochemisch aangedreven processen , waardoor nieuwe wegen worden geopend voor de controle over reactieselectie^{20,21,22,23,24,25}. Belangrijk is dat het vermeldenswaarde dat het plasmonbederf ook kan leiden tot thermische dissipatie, wat kan leiden tot een temperatuurstijging in de buurt van de NPs die ook kan bijdragen aan het versnellen van de reactiesnelheden^15,16.

Vanwege deze interessante kenmerken is plasmonische katalyse met succes toegepast bij een verscheidenheid aan moleculaire transformaties¹⁸. Toch blijft er een belangrijke uitdaging bestaan. Hoewel plasmonische NPs zoals Ag en Au uitstekende optische eigenschappen vertonen in de zichtbare en bijna-IR-bereiken, zijn hun katalytische eigenschappen beperkt in termen van de reikwijdte van transformaties. Met andere woorden, ze vertonen geen goede katalytische eigenschappen voor verschillende transformaties. Bovendien ondersteunen metalen die belangrijk zijn bij katalyse, zoals palladium (Pd) en platina (Pt), geen LSPR-excitatie in de zichtbare of bijna-IR-bereiken. Om deze kloof te overbruggen , vertegenwoordigen bimetallische NPs die een plasmoon en katalytisch metaal bevatten een effectieve strategie^{20,26,27,28,29}. In deze systemen kan het plasmonische metaal worden gebruikt als antenne om energie te oogsten uit de lichte excitatie via de LSPR, die vervolgens wordt gebruikt om moleculaire transformaties bij het katalytische metaal aan te drijven, te versnellen en te beheersen. Daarom stelt deze strategie ons in staat om plasmonische katalyse verder uit te breiden dan traditionele plasmonische metaal NPs^{20,26,27,28,29}.

Dit protocol beschrijft de facile synthese van bimetaal zilver-palladium (Ag-Pd) gelegeerde NPs ondersteund op ZrO₂ (Ag-Pd/ZrO₂) die kan fungeren als een plasmonisch-katalytisch systeem voor plasmonische katalyse. De Ag-Pd/ZrO₂ NPs werden bereid door de overeenkomstige metaalprecursoren op de ZrO_2-steun mede te impregneren , gevolgd door gelijktijdige^{reductie 30}. Deze aanpak leidde tot de vorming van bimetallische NPs van ongeveer 10 nm groot (diameter) direct aan het oppervlak van de ZrO_{2-ondersteuning.} De NPs bestonden uit 1 mol% pd om het gebruik van het katalytische metaal te minimaliseren en tegelijkertijd de optische eigenschappen van de resulterende Ag-Pd NPs te maximaliseren. Voor de vermindering van nitrobenzeen werd een protocol voor de toepassing van de Ag-Pd/ZrO₂ NPs in plasmonische katalyse aangetoond. Voor de LSPR-excitatie hebben we 425 nm LED-verlichting gebruikt. Gaschromatografie werd uitgevoerd om de omzetting en selectiviteit van de reductiereactie onder de donkere en lichte bestralingsomstandigheden te controleren. LSPR-excitatie leidde tot verbeterde katalytische prestaties en controle over selectiviteit in Ag-Pd/ZrO₂ NPs in verhouding tot zuiver thermisch aangedreven omstandigheden. De methode die in dit protocol wordt beschreven, is gebaseerd op een eenvoudige fotokatalytische reactieopstelling in combinatie met gaschromatografie en kan worden aangepast aan een breed scala aan moleculaire transformaties en NPs-composities. Deze methode maakt dus de karakterisering van fotokatalytische activiteit mogelijk, in termen van conversie en reactie selectiviteit, van verschillende NPs en voor een groot aantal transformaties in vloeibare fasen. We geloven dat dit artikel belangrijke richtlijnen en inzichten zal bieden aan zowel nieuwkomers als meer ervaren wetenschappers in het veld.