Görünür-Işık Aydınlatması Altında Plazmonik Kataliz için Gümüş-Paladyum Alaşımlı Nanopartiküllerin Hazırlanması
Summary
Burada sunulan ZrO 2 (Ag-Pd/ZrO2)üzerinde desteklenen gümüş-paladyum (Ag-Pd) alaşımlı nanopartiküllerin(NPs) sentezi için bir protokoldür. Bu sistem, moleküler dönüşümleri hızlandırmak ve kontrol etmek için görünür ışık ışınlamadan enerji toplanmasına izin verir. Bu, Ag-Pd/ZrO2 NPs tarafından katalİze edilen ışık ışınlama altında nitrobenzen azaltma ile gösterilmiştir.
Abstract
Plazmon nanopartiküllerde (NP) lokalize yüzey plazmon rezonansı (LSPR) çeşitli moleküler dönüşümlerin seçiciliğini hızlandırabilir ve kontrol edebilir. Bu, bu aralıklarda LSPR ekscitasyonunu destekleyen plazmonik nanopartiküller katalizör olarak kullanılırken reaksiyonları yönlendirmek ve kontrol etmek için sürdürülebilir bir girdi olarak görünür veya neredeyse IR ışığının kullanılması için olanaklar sunar. Ne yazık ki, paladyum (Pd) gibi birkaç katalitik metal için durum böyle değildir. Bu sınırlamayı aşmak için bir strateji plazmonik ve katalitik metaller içeren bimetalik NP’ler istihdam etmektir. Bu durumda, plazmonik metaldeki LSPR çıkarılması, katalitik bileşen tarafından yönlendirilen dönüşümleri hızlandırmaya ve kontrol etmeye katkıda bulunabilir. Burada bildirilen yöntem, plazmonik katalitik bir sistem görevi gören ZrO2’de (Ag-Pd/ZrO2)desteklenen bimetalik gümüş-paladyum (Ag-Pd) NP’lerin sentezine odaklanmaktadır. NP’ler, ZrO 2 desteğine karşılık gelen metal öncüllerinin birlikte emprenye edilmesi ve ardından doğrudan ZrO2 desteğinde bimetalik NP’lerin oluşumuna yol açan eşzamanlı azaltma ile hazırlanmıştır. Ag-Pd/ZrO2 NP’ler daha sonra LED lambalar tarafından 425 nm aydınlatmanın altındaki nitrobenzenin azaltılması için plazmonik katalizörler olarak kullanıldı. Gaz kromatografisi (GC) kullanılarak, plazmonik olmayan Pd’yi plazmonik metal Ag ile alaşımladıktan sonra LSPR uyarımı altında gelişmiş katalitik performans ve seçicilik kontrolünü gösteren, karanlık ve açık ışınlama koşulları altında azaltma reaksiyonunun dönüşümü ve seçiciliği izlenebilir. Bu teknik, çok çeşitli moleküler dönüşümlere ve NPs kompozisyonlarına uyarlanabilir, bu da farklı kataliz türlerinin plazmonik katalitik aktivitesinin dönüşüm ve seçicilik açısından karakterizasyonu için yararlı hale getirir.
Introduction
Metal nanopartiküllerin (NPs) çeşitli uygulamaları arasında, kataliz özel ilgiyi hak eder. Kataliz, sürdürülebilir bir gelecekte merkezi bir rol oynar, daha az enerji tüketimine, hammaddelerin daha iyi kullanılmasına katkıda bulunan ve daha temiz reaksiyon koşulları sağlayan1,2,3,4. Bu nedenle, katalizdeki ilerleme, kimyasal proseslerin atomik verimliliğini artırmak için araçlar sağlayabilir, bu da onları daha temiz, ekonomik olarak daha uygulanabilir ve daha çevre dostu hale getirebilir. Gümüş (Ag), altın (Au) veya bakırı (Cu) kapsayan metal NP’ler, bu sistemlerin yerelleştirilmiş yüzey plazmon rezonansı (LSPR) eksize etme 5 ,6,7,8aracılığıyla nano ölçekte ışıkla etkileşime girmelerinin benzersiz yolundan kaynaklanan görünür aralıkta ilginç optik özellikler görüntüleyebilir. Plazmonik NP’ler olarak adlandırılan bu NP’lerde LSPR, 5 ,6,7,8elektronlarının kolektif hareketiyle olay fotonları (gelen bir elektromanyetik dalgadan) arasındaki rezonans etkileşimini içerir. Bu fenomen, ortamın büyüklüğüne, şekline, bileşimine ve dielektrik sabitine bağlı karakteristik bir frekansta gerçekleşir9,10,11. Örneğin, Ag, Au ve Cu için, bu frekanslar görünürden yakın IR’ye kadar değişebilir ve LSPR 5 , 6 ,7,8,12,13‘üheyecanlandırmak için güneş enerjisinin kullanımı için olanaklar açabilir.
Son zamanlarda, plazmonik NP’lerdeki LSPR ekscitasyonunun oranları hızlandırmaya ve moleküler dönüşümlerin seçiciliğini kontrol etmeye katkıda bulunabileceği gösterilmiştir5,14,15,16,17,18,19. Bu, kimyasal dönüşümleri hızlandırmak, sürmek ve / veya kontrol etmek için ışıktan enerji kullanmaya odaklanan plazmonik kataliz adı verilen bir alan doğurdu5,14,15,16,17,18,19. Bu bağlamda, plazmonik NP’lerdeki LSPR ekscitasyonunun, LSPR heyecanlı sıcak taşıyıcılar olarak adlandırılan enerjik sıcak elektronların ve deliklerin oluşumuna yol açabileceği tespit edilmiştir. Bu taşıyıcılar elektronik veya titreşimsel aktivasyon yoluyla adsorbe türlerle etkileşime girebilir15,16. Artan reaksiyon oranlarına ek olarak, bu işlem ayrıca geleneksel termokimyasal tahrikli süreçler aracılığıyla erişilemeyen alternatif reaksiyon yolları sağlayabilir ve reaksiyon seçiciliği üzerinde kontrol için yeni yollar açabilir20,21,22,23,24,25. Daha da önemlisi, plazmon çürümesinin termal dağmaya da yol açabileceğini ve NP’lerin çevresinde sıcaklık artışına yol açabileceğini ve reaksiyon oranlarını hızlandırmaya da katkıda bulunabileceğini belirtmek gerekir15,16.
Bu ilginç özellikler nedeniyle, plazmonik kataliz çeşitli moleküler dönüşümlere doğru başarıyla18. Bununla birlikte, önemli bir zorluk devam ediyor. Ag ve Au gibi plazmonik NP’ler görünür ve IR’ye yakın aralıklarda mükemmel optik özellikler gösterirken, katalitik özellikleri dönüşümlerin kapsamı açısından sınırlıdır. Başka bir deyişle, birkaç dönüşüm için iyi katalitik özellikler göstermezler. Ayrıca, paladyum (Pd) ve platin (Pt) gibi katalizörde önemli olan metaller, görünür veya IR’ye yakın aralıklarda LSPR ekscitasyonunu desteklemez. Bu boşluğu kapatmak için, plazmonik ve katalitik metal içeren bimetalik NP’ler etkili bir stratejiyi temsil eder20,26,27,28,29. Bu sistemlerde, plazmonik metal, daha sonra katalitik metaldeki moleküler dönüşümleri sürmek, hızlandırmak ve kontrol etmek için kullanılan LSPR aracılığıyla ışık ekscitasyonundan enerji toplamak için bir anten olarak kullanılabilir. Bu nedenle, bu strateji plazmonik katalizini geleneksel plazmonik metalNPs 20 , 26,27,28,29‘un ötesine uzatmamızı sağlar.
Bu protokol, plazyonik kataliz için plazmonik katalitik bir sistem görevi görebilen ZrO2’de (Ag-Pd/ZrO2)desteklenen bimetalik gümüş-paladyum (Ag-Pd) alaşımlı NP’lerin fasile sentezini açıklar. Ag-Pd/ZrO2 NP’ler, ZrO2 desteğindeki ilgili metal öncüllerinin eşzamanlı olarak emprenye edilmesi ve ardından eşzamanlı azaltma30ile hazırlanmıştır. Bu yaklaşım, ZrO 2 desteğinin yüzeyinde yaklaşık 10 nm büyüklüğünde (çap) bimetalikNP’lerin oluşmasına yol açtı. NP’ler, ortaya çıkan Ag-Pd NP’lerin optik özelliklerini en üst düzeye çıkarırken katalitik metalin kullanımını en aza indirmek için Pd’nin% 1’inden oluşuyordu. Nitrobenzenin azaltılması için plazmonik katalizde Ag-Pd/ZrO2 NPs uygulamasına ilişkin bir protokol gösterilmiştir. LSPR excitation için 425 nm LED aydınlatma istihdam ettik. Karanlık ve açık ışınlama koşullarında azalma reaksiyonunun dönüşümünü ve seçiciliğini izlemek için gaz kromatografisi yapıldı. LSPR ekscitasyonu, Ag-Pd/ZrO2 NP’lerde tamamen termal tahrikli koşullara göre katalitik performansın artmasına ve seçicilik üzerinde kontrole yol açtı. Bu protokolde açıklanan yöntem, gaz kromatografisi ile birleştirilmiş basit bir fotokatalitik reaksiyon kurulumuna dayanmaktadır ve çok çeşitli moleküler dönüşümlere ve NP kompozisyonlarına uyarlanabilir. Bu nedenle, bu yöntem fotokatalitik aktivitenin, dönüşüm ve reaksiyon seçiciliği açısından, farklı NP’lerin ve sayısız sıvı fazlı dönüşüm için karakterizeini mümkün kılar. Bu makalenin hem yeni gelenlere hem de alanında daha deneyimli bilim insanlarına önemli yönergeler ve içgörüler sağlayacağına inanıyoruz.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yöntemde açıklanan bulgular, Pd’nin (veya diğer katalitik ancak plazmonik metalin değil) içsel katalitik aktivitesinin, bimetalik alaşımlıNPs 35’tegörünür ışık ışınlama yoluyla LSPR ekscitasyonu ile önemli ölçüde artırılabileceğini göstermektedir. Bu durumda, Ag (veya başka bir plazmonik metal), LSPR ekscitasyonu yoluyla görünür ışık ışınlamasından enerji toplama yeteneğine sahiptir. LSPR eksitasyonu, sıcak yük taşıyıcılarının (sıcak elektronlar ve…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma Helsinki Üniversitesi ve Jane ve Aatos Erkko Vakfı tarafından desteklendi. S.H. burs için Erasmus+ AB fonlarına teşekkür ediyor.
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).
