Подготовка серебряно-палладий сплавленных наночастиц для плазмонной катализа под видимым освещением
Summary
Здесь представлен протокол для синтеза наночастиц сплава серебра-палладия (Ag-Pd), поддерживаемых наЗРО 2 (Ag-Pd/ZrO2). Эта система позволяет собирать энергию от видимого облучения света для ускорения и контроля молекулярных преобразований. Об этом свидетельствует сокращение нитробензена при облучению светом, который катализуется NPs Ag-Pd/zrO2.
Abstract
Локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR) в плазмонных наночастицах (NPs) может ускорять и контролировать селективность различных молекулярных преобразований. Это открывает возможности для использования видимого или ближнего ИК света в качестве устойчивого вклада для привода и контроля реакций, когда плазмонные наночастицы, поддерживающие возбуждение LSPR в этих диапазонах, используются в качестве катализаторов. К сожалению, это не так для нескольких каталитических металлов, таких как палладий (Pd). Одна из стратегий преодоления этого ограничения заключается в использовании биметаллических ПП, содержащих плазмонные и каталитические металлы. В этом случае возбуждение LSPR в плазмоничном металле может способствовать ускорению и контролю преобразований, обусловленных каталитическим компонентом. Метод, о чем сообщается в настоящем, фокусируется на синтезе биметаллических ПС из серебра палладия (Ag-Pd), поддерживаемыхна ЗРО 2 (Ag-Pd/ZrO2), который действует как плазмоно-каталитическая система. NPs были подготовлены путем совместного пропитки соответствующих металлических прекурсоровна поддержке ЗРО 2 с последующим одновременным сокращением, что привело к образованию биметаллических NPs непосредственно наподдержку ЗРО 2. В качестве плазмонных катализаторов для уменьшения нитробензена под 425 нм освещения светодиодными лампами использовались NPs Ag-Pd/zrO2. С помощью газовой хроматографии (ГК) можно контролировать конверсию и селективность реакции сокращения в условиях темного и светлого облучения, демонстрируя повышенную каталитическую производительность и контроль над селективностью при возбуждении LSPR после сплава неплазмонной pd с плазмонной металлической аг. Этот метод может быть адаптирован к широкому спектру молекулярных преобразований и композиций NPs, что делает его полезным для характеристики плазмонной каталитической активности различных типов катализа с точки зрения конверсии и избирательности.
Introduction
Среди нескольких применений металлических наночастиц (NPs), катализ заслуживает особого внимания. Катализ играет центральную роль в устойчивом будущем, способствуя меньшему потреблению энергии, лучшему использованию сырья и обеспечивая более чистыеусловия реакции 1,2,3,4. Таким образом, прогресс в катализе может стать инструментом повышения атомной эффективности химических процессов, делая их более чистыми, экономически жизнеспособными и более экологически чистыми. Металлические NPs, охватывающие серебро (Ag), золото (Au) или медь (Cu) может отображать интересные оптические свойства в видимомдиапазоне,которые возникают из уникального способа эти системы взаимодействуют со светом на наноуровне через локализованную поверхность плазмон резонанса (LSPR) возбуждение5,6,7,8. В этих NPs, именуемых плазмонными NPs, LSPR включает в себя резонансное взаимодействие между фотонами инцидента (от входящей электромагнитной волны) с коллективнымдвижением электронов 5,6,7,8. Это явление происходит на характерной частоте, которая зависит от размера, формы, состава и диэлектрическойконстанты окружающей среды 9,10,11. Например, для Ag, Au и Cu, эти частоты могут варьироваться от видимых до почти ИК, открывая возможности для использования солнечной энергии, чтобы возбудить их LSPR5,6,7,8,12,13.
Недавно было продемонстрировано, что возбуждение LSPR в плазмонные NPs может способствовать ускорению темпов и контролировать избирательность молекулярныхпреобразований 5,14,15,16,17,18,19. Это породило поле под названием плазмонический катализ, которые сосредоточены на использовании энергии от света до ускорения, привода и/иликонтроля химических преобразований 5,14,15,16,17,18,19. В этом контексте было установлено, что возбуждение LSPR в плазмонные NPs может привести к образованию энергетических горячих электронов и отверстий, называемых LSPR возбужденных горячих носителей. Эти носители могут взаимодействовать с адсорбированными видами с помощью электронной иливибрационной активации 15,16. В дополнение к увеличению темпов реакции, этот процесс может также обеспечить альтернативные пути реакции, недоступные через традиционные термохимически управляемые процессы, открывая новые пути для контроля заизбирательностью реакции 20,21,22,23,24,25. Важно отметить, что распад плазмона может также привести к тепловому рассеиванию, что приводит к повышению температуры в непосредственной близости от NPs, которые также могут способствовать ускорениюскорости реакции 15,16.
Благодаря этим интересным особенностям, плазмонический катализ был успешно использован в направлении различных молекулярных преобразований18. Тем не менее остается важной задачей. В то время как плазмонные NPs, такие как Ag и Au, отображают отличные оптические свойства в видимом и почти ИК диапазоне, их каталитические свойства ограничены с точки зрения масштабов преобразований. Другими словами, они не отображают хорошие каталитические свойства для нескольких преобразований. Кроме того, металлы, которые имеют важное значение в катализе, такие как палладий (Pd) и платина (Pt), не поддерживают возбуждение LSPR в видимом или почти ИК-диапазонах. Чтобы преодолеть этот разрыв, биметаллические NPs, содержащие плазмонный и каталитический металл представляетсобой эффективную стратегию 20,26,27,28,29. В этих системах плазмонный металл может быть использован в качестве антенны для сбора энергии из светового возбуждения через LSPR, который затем используется для привода, ускорения и контроля молекулярных преобразований в каталитическом металле. Таким образом, эта стратегия позволяет нам расширить плазмонический катализ за рамки традиционных плазмонических металлических NPs20,26,27,28,29.
Этот протокол описывает поверхностный синтез биметаллического серебра палладия (Ag-Pd) сплавленных NPs поддерживается наЗРО 2 (Ag-Pd /ЗРО 2), которые могут выступать в качестве плазмонной-каталитической системы для плазмонной катализа. NPs Ag-Pd/zrO2 были подготовлены путем совместного пропитки соответствующих металлических прекурсоров наподдержке ЗРО 2 с последующим одновременнымсокращением 30. Такой подход привел к образованию биметаллических NPs размером около 10 нм (диаметр) непосредственно на поверхности опорыЗРО 2. NPs были составлены 1 mol% Pd для того чтобы уменьшить использование каталитного металла пока максимизируя оптически свойства приводящ к NPs Ag-Pd. Для уменьшения нитробензена был продемонстрирован протоколприменения NPs Ag-Pd/zrO 2 в плазмонной катализе. Мы использовали 425 нм светодиодного освещения для возбуждения LSPR. Газовая хроматография проводилась для мониторинга конверсии и селективности реакции снижения в условиях темного и светлого облучения. Возбуждение LSPR привело к повышению каталитической производительности и контролю над избирательностью в NPs Ag-Pd/zrO2 по отношению к чисто термическим условиям. Метод, описанный в этом протоколе, основан на простой установке фотокаталитической реакции в сочетании с газовой хроматографией и может быть адаптирован к широкому спектру молекулярных преобразований и композиций NPs. Таким образом, этот метод позволяет характеристика фотокаталитической активности, с точки зрения конверсии и селективности реакции, различных NPs и для множества жидкой фазы преобразований. Мы считаем, что эта статья будет предоставлять важные руководящие принципы и идеи для новичков и более опытных ученых в этой области.
Protocol
Representative Results
Discussion
Результаты, описанные в этом методе, показывают, что внутренняя каталитическая активность Pd (или другого каталитического, но не плазмонического металла) может быть значительно усилена возбуждением LSPR через видимое облучение в биметаллических сплавах NPs35. В этом случае Ag (и…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Хельсинкским университетом и Фондом Джейн и Аатос Эркко. S.H. благодарит фонды ЕС Erasmus’ за стипендию.
Materials
| 2-Propanol (anhydrous, 99.5%) | Sigma-Aldrich | 278475 | CAS Number 67-63-0 |
| Aniline (for synthesis) | Sigma-Aldrich | 8.22256 | CAS Number 62-53-3 |
| Azobenzene (98%) | Sigma-Aldrich | 424633 | CAS Number 103-33-3 |
| Ethanol | Honeywell | 32221 | CAS Number 64-17-5 |
| Hydrochloric acid (37%) | VWR | PRLSMC310066 | CAS Number 7647-01-0 |
| L-Lysine (crystallized, ≥98.0% (NT)) | Sigma-Aldrich | 62840 | CAS Number 56-87-1 |
| Nitric acid (65%) | Merck | 100456 | CAS Number 7697-37-2 |
| Nitrobenzene | Sigma-Aldrich | 8.06770 | CAS Number 98-95-3 |
| Potassium hydroxide | Fisher | 10448990 | CAS Number 1310-58-3 |
| Potassium tetrachloropalladate (II) (98%) | Sigma-Aldrich | 205796 | CAS Number 10025-98-6 |
| Silver nitrate (ACS reagent, ≥99.0%) | Sigma-Aldrich | 209139 | CAS Number 7761-88-8 |
| Sodium borohydride (fine granular for synthesis) | Sigma-Aldrich | 8.06373 | CAS Number 16940-66-2 |
| Zirconium (IV) oxide (nanopowder, <100 nm particle size (TEM)) | Sigma-Aldrich | 544760 | CAS Number 1314-23-4 |
References
- Dunn, P. J., Hii, K. K., Krische, M. J., Williams, M. T. . Sustainable Catalysis: Challenges and Pratices for the Pharmaceutical and Fine Chemical Industries. , (2013).
- Tzouras, N. V., Stamatopoulos, I. K., Papastavrou, A. T., Liori, A. A., Vougioukalakis, G. C. Sustainable metal catalysis in C-H activation. Coordination Chemistry Reviews. 343, 25 (2017).
- Polshettiwar, V., Varma, R. S. Green chemistry by nano-catalysis. Green Chemistry. 12 (5), 743 (2010).
- Rodrigues, T. S., da Silva, A. G. M., Camargo, P. H. C. Nanocatalysis by noble metal nanoparticles: controlled synthesis for the optimization and understanding of activities. Journal of Materials Chemistry A. 7 (11), 5857-5874 (2019).
- Linic, S., Christopher, P., Ingram, D. B. Plasmonic-metal nanostructures for efficient conversion of solar to chemical energy. Nature Materials. 10 (12), 911-921 (2011).
- Nam, J. M., Liz-Marzán, L., Halas, N. Chemical Nanoplasmonics: Emerging Interdisciplinary Research Field at Crossroads between Nanoscale Chemistry and Plasmonics. Accounts of Chemical Research. 52 (11), 2995-2996 (2019).
- Brongersma, M. L., Halas, N. J., Nordlander, P. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotechnology. 10 (1), 25-34 (2015).
- Smith, J. G., Faucheaux, J. A., Jain, P. K. Plasmon resonances for solar energy harvesting: A mechanistic outlook. Nano Today. 10 (1), 67-80 (2015).
- Hartland, G. V. Optical studies of dynamics in noble metal nanostructures. Chemical Reviews. 111 (6), 3858-3887 (2011).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. Journal of Physical Chemistry B. 107 (3), 668-677 (2003).
- Hermoso, W., et al. Triangular metal nanoprisms of Ag, Au, and Cu: Modeling the influence of size, composition, and excitation wavelength on the optical properties. Chemical Physics. 423, 142-150 (2013).
- Kumar, A., et al. Rational Design and Development of Lanthanide-Doped NaYF4@CdS-Au-RGO as Quaternary Plasmonic Photocatalysts for Harnessing Visible-Near-Infrared Broadband Spectrum. ACS Applied Materials and Interfaces. 10 (18), 15565-15581 (2018).
- Reddy, K. L., Kumar, S., Kumar, A., Krishnan, V. Wide spectrum photocatalytic activity in lanthanide-doped upconversion nanophosphors coated with porous TiO2 and Ag-Cu bimetallic nanoparticles. Journal of Hazardous Materials. 367, 694-705 (2019).
- Ingram, D. B., Linic, S. Water splitting on composite plasmonic-metal/semiconductor photoelectrodes: Evidence for selective plasmon-induced formation of charge carriers near the semiconductor surface. Journal of the American Chemical Society. 133 (14), 5202-5205 (2011).
- Linic, S., Aslam, U., Boerigter, C., Morabito, M. Photochemical transformations on plasmonic metal nanoparticles. Nature Materials. 14 (6), 567-576 (2015).
- Aslam, U., Rao, V. G., Chavez, S., Linic, S. Catalytic conversion of solar to chemical energy on plasmonic metal nanostructures. Nature Catalyst. 1, 656-665 (2018).
- Araujo, T. P., Quiroz, J., Barbosa, E. C. M., Camargo, P. H. C. Understanding plasmonic catalysis with controlled nanomaterials based on catalytic and plasmonic metals. Current Opinion in Colloid and Interface Science. 39, 110-122 (2019).
- Gellé, A., et al. Applications of plasmon-enhanced nanocatalysis to organic transformations. Chemical Reviews. , 986-1041 (2020).
- Shaik, F., Peer, I., Jain, P. K., Amirav, L. Plasmon-Enhanced Multicarrier Photocatalysis. Nano Letters. 18 (7), 4370-4376 (2018).
- Quiroz, J., et al. Controlling Reaction Selectivity over Hybrid Plasmonic Nanocatalysts. Nano Letters. 18, 7289-7297 (2018).
- Peiris, E., et al. Plasmonic Switching of the Reaction Pathway: Visible-Light Irradiation Varies the Reactant Concentration at the Solid-Solution Interface of a Gold-Cobalt Catalyst. Angewandte Chemie – International Edition. 58 (35), 12032-12036 (2019).
- Yu, S., Wilson, A. J., Heo, J., Jain, P. K. Plasmonic Control of Multi-Electron Transfer and C-C Coupling in Visible-Light-Driven CO2 Reduction on Au Nanoparticles. Nano Letters. 18 (4), 2189-2194 (2018).
- Yu, S., Jain, P. K. Plasmonic photosynthesis of C 1 -C 3 hydrocarbons from carbon dioxide assisted by an ionic liquid. Nature Communications. 10, 2022 (2019).
- Zhang, X., et al. Product selectivity in plasmonic photocatalysis for carbon dioxide hydrogenation. Nature Communications. 8, 1-9 (2017).
- Cortés, E. Efficiency and Bond Selectivity in Plasmon-Induced Photochemistry. Advanced Optical Materials. 5 (15), 1700191 (2017).
- de Freitas, I. C., et al. Design-controlled synthesis of IrO 2 sub-monolayers on Au nanoflowers: marrying plasmonic and electrocatalytic properties. Nanoscale. , 23-27 (2020).
- Zhang, C., et al. Al-Pd Nanodisk Heterodimers as Antenna-Reactor Photocatalysts. Nano Letters. 16 (10), 6677-6682 (2016).
- Zhou, L., et al. Light-driven methane dry reforming with single atomic site antenna-reactor plasmonic photocatalysts. Nature Energy. 5, 61-70 (2020).
- Swearer, D. F., et al. Heterometallic antenna-reactor complexes for photocatalysis. Proceedings of the National Academy of Sciences. 113 (32), 8916-8920 (2016).
- Peiris, S., Sarina, S., Han, C., Xiao, Q., Zhu, H. -. Y. Silver and palladium alloy nanoparticle catalysts: reductive coupling of nitrobenzene through light irradiation. Dalton Transactions. 46 (32), 10665-10672 (2017).
- Rahm, J. M., et al. A Library of Late Transition Metal Alloy Dielectric Functions for Nanophotonic Applications. Advanced Functional Materials. 2002122, 02122 (2020).
- Zhang, C., Chen, B. Q., Li, Z. Y., Xia, Y., Chen, Y. G. Surface Plasmon Resonance in Bimetallic Core-Shell Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 119 (29), 16836-16845 (2015).
- Liu, Z., Huang, Y., Xiao, Q., Zhu, H. Selective reduction of nitroaromatics to azoxy compounds on supported Ag-Cu alloy nanoparticles through visible light irradiation. Green Chemistry. 18 (3), 817-825 (2016).
- Chaiseeda, K., Nishimura, S., Ebitani, K. Gold nanoparticles supported on alumina as a catalyst for surface plasmon-enhanced selective reductions of nitrobenzene. ACS Omega. 2 (10), 7066-7070 (2017).
- Peiris, S., et al. Metal nanoparticle photocatalysts: emerging processes for green organic synthesis. Catalysis Science and Technology. 6 (2), 320-338 (2016).
- García-García, I., et al. Silver-Based Plasmonic Catalysts for Carbon Dioxide Reduction. ACS Sustainable Chemistry and Engineering. 8 (4), 1879-1887 (2020).
- Agrawal, A., Johns, R. W., Milliron, D. J. Control of Localized Surface Plasmon Resonances in Metal Oxide Nanocrystals. Annual Review of Materials Research. 47 (1), 1-31 (2017).
- Lounis, S. D., Runnerstrom, E. L., Llordés, A., Milliron, D. J. Defect chemistry and Plasmon physics of colloidal metal oxide Nanocrystals. Journal of Physical Chemistry Letters. 5 (9), 1564-1574 (2014).
- Rej, S., et al. Determining Plasmonic Hot Electrons and Photothermal Effects during H2 Evolution with TiN-Pt Nanohybrids. ACS Catalysis. 10 (9), 5261-5271 (2020).
- Barragan, A. A., et al. Photochemistry of Plasmonic Titanium Nitride Nanocrystals. The Journal of Physical Chemistry C. 123 (35), 21796-21804 (2019).
