stringtranslate.com

Катализатор на основе наноматериалов

Катализаторы на основе наноматериалов обычно представляют собой гетерогенные катализаторы , разбитые на наночастицы металлов для усиления каталитического процесса. Металлические наночастицы имеют большую площадь поверхности , что может повысить каталитическую активность. Катализаторы наночастиц можно легко отделить и переработать. [1] [2] [3] Обычно их используют в мягких условиях, чтобы предотвратить разложение наночастиц. [4]

Функционализированные наночастицы

Функционализированные металлические наночастицы более стабильны по отношению к растворителям по сравнению с нефункционализированными металлическими наночастицами. [5] [6] В жидкостях на наночастицы металлов может влиять сила Ван-дер-Ваальса . Агрегация частиц может иногда снижать каталитическую активность за счет уменьшения площади поверхности. [7] Наночастицы также могут быть функционализированы полимерами или олигомерами для стерической стабилизации наночастиц путем создания защитного слоя, который предотвращает взаимодействие наночастиц друг с другом. [8] Сплавы двух металлов, называемые биметаллическими наночастицами, используются для создания синергетического эффекта на катализ между двумя металлами. [9]

Возможные применения

Дегалогенирование и гидрирование

Катализаторы наночастиц активны при гидрогенолизе связей C-Cl, таких как полихлорированные бифенилы . [5] [6] Другая реакция – гидрирование галогенированных ароматических аминов – также важна для синтеза гербицидов и пестицидов , а также дизельного топлива . [5] В органической химии гидрирование связи C-Cl с дейтерием используется для селективной маркировки ароматического кольца для использования в экспериментах, посвященных кинетическому изотопному эффекту . Буил и др. создали комплексы родия , из которых образовались наночастицы родия. Эти наночастицы катализировали дегалогенирование ароматических соединений, а также гидрирование бензола до циклогексана . [6] Стабилизированные полимером наночастицы также можно использовать для гидрирования коричного альдегида и цитронеллаля . [5] [7] [10] [9] Ю. и др. обнаружили, что рутениевые нанокатализаторы более селективны при гидрировании цитронеллаля по сравнению с используемыми традиционными катализаторами. [9]

Реакции гидросилилирования

Реакция гидросилилирования

Восстановление металлоорганических комплексов золота , кобальта , никеля , палладия или платины силанами приводит к образованию металлических наночастиц , которые катализируют реакцию гидросилилирования. [11] BINAP -функционализированные наночастицы палладия и наночастицы золота использовались для гидросилилирования стирола в мягких условиях; Было обнаружено, что они более каталитически активны и более стабильны, чем ненаночастичные комплексы Pd-BINAP. [11] [12] Реакция также может катализироваться наночастицами, состоящими из двух металлов. [5] [13]

Органические окислительно-восстановительные реакции

Реакция окисления циклогексана с образованием адиаповой кислоты.

Реакция окисления с образованием адипиновой кислоты показана на рисунке 3 и может катализироваться наночастицами кобальта. [5] Он используется в промышленных масштабах для производства полимера нейлона 6,6 . Другие примеры реакций окисления, катализируемых металлическими наночастицами, включают окисление циклооктана , окисление этена и окисление глюкозы . [5]

Реакции сочетания CC

Черт возьми, реакция сочетания

Металлические наночастицы могут катализировать реакции сочетания C–C , такие как гидроформилирование олефинов , [5] синтез витамина Е , а также реакции сочетания Хека и сочетания Сузуки . [5]

Было обнаружено, что наночастицы палладия эффективно катализируют реакции сочетания Хека. Было обнаружено, что повышенная электроотрицательность лигандов наночастиц палладия увеличивает их каталитическую активность. [5] [14]

Соединение Pd 2 (dba) 3 является источником Pd(0), который является каталитически активным источником палладия, используемого во многих реакциях, включая реакции кросс-сочетания . [4] Pd2(dba)3 считался гомогенным каталитическим предшественником, но недавние статьи предполагают, что образуются наночастицы палладия, что делает его гетерогенным каталитическим предшественником. [4]

Альтернативные виды топлива

Наночастицы оксида железа и кобальта можно наносить на различные поверхностно-активные материалы, такие как оксид алюминия, для преобразования газов, таких как окись углерода и водород, в жидкое углеводородное топливо с использованием процесса Фишера-Тропша . [15] [16]

Многие исследования катализаторов на основе наноматериалов связаны с максимизацией эффективности каталитического покрытия в топливных элементах. Платина в настоящее время является наиболее распространенным катализатором для этого применения, однако она дорогая и редкая, поэтому проводится множество исследований по максимизации каталитических свойств других металлов путем сжатия их до наночастиц в надежде, что когда-нибудь они станут эффективным катализатором. и экономическая альтернатива платине. Наночастицы золота также проявляют каталитические свойства , несмотря на то, что золото в массе нереакционноспособно.

Было обнаружено, что наночастицы циркония , стабилизированные иттрием , повышают эффективность и надежность твердооксидного топливного элемента . [17] [18] Наноматериальные рутениево-платиновые катализаторы потенциально могут быть использованы для катализа очистки водорода для его хранения . [19] Наночастицы палладия могут быть функционализированы металлоорганическими лигандами, чтобы катализировать окисление CO и NO для контроля загрязнения воздуха в окружающей среде . [17] Катализаторы на основе углеродных нанотрубок могут использоваться в качестве катодной каталитической основы для топливных элементов, а металлические наночастицы используются для катализа роста углеродных нанотрубок . [17] Биметаллические наночастицы платина-кобальт в сочетании с углеродными нанотрубками являются многообещающими кандидатами для топливных элементов прямого метанола, поскольку они производят электрод с более стабильным током . [17]

Лекарство

В магнитной химии наночастицы можно использовать в качестве носителя катализатора в медицинских целях.

Нанозимы

Помимо традиционного катализа, наноматериалы исследовались для имитации природных ферментов. Наноматериалы с активностью, имитирующей ферменты, называются нанозимами . [20] Многие наноматериалы использовались для имитации разновидностей природных ферментов, таких как оксидаза, пероксидаза, каталаза, СОД, нуклеаза и т. д. Нанозимы нашли широкое применение во многих областях, от биосенсорства и биовизуализации до терапии и очистки воды.

Наноструктуры для электрокатализа

Нанокатализаторы представляют широкий интерес для топливных элементов и электролизеров, где катализатор сильно влияет на эффективность.

Нанопористые поверхности

В топливных элементах для изготовления катодов широко используются нанопористые материалы. Пористые наночастицы платины обладают хорошей активностью в нанокатализе, но менее стабильны и имеют короткий срок службы. [21]

Наночастицы

Одним из недостатков использования наночастиц является их склонность к агломерации. Проблему можно решить с помощью правильной поддержки катализатора . Наночастицы являются оптимальными структурами для использования в качестве наносенсоров, поскольку их можно настроить на обнаружение конкретных молекул. Примеры наночастиц Pd, электроосажденных на многостенные углеродные нанотрубки, показали хорошую активность в катализе реакций кросс-сочетания. [22]

Нанопровода

Нанопроволоки очень интересны для электрокаталитических целей, поскольку их легче производить, а контроль их характеристик в процессе производства достаточно точен. Кроме того, нанопроволоки могут повысить фарадеевскую эффективность благодаря их пространственной протяженности и, следовательно, большей доступности реагентов на активной поверхности. [23]

Материалы

Наноструктуры, участвующие в процессах электрокатализа, могут состоять из разных материалов. Благодаря использованию наноструктурированных материалов электрокатализаторы могут достичь хорошей физико-химической стабильности, высокой активности, хорошей проводимости и низкой стоимости. Металлические наноматериалы обычно состоят из переходных металлов (в основном железа, кобальта, никеля, палладия, платины). Мультиметаллические наноматериалы проявляют новые свойства благодаря характеристикам каждого металла. Преимуществами являются повышение активности, селективности и стабильности, а также снижение затрат. Металлы можно комбинировать по-разному, например, в биметаллической структуре ядро-оболочка: самый дешевый металл образует ядро, а наиболее активный (обычно благородный металл) составляет оболочку. Приняв эту конструкцию, можно сократить использование редких и дорогих металлов до 20%. [24]

Одной из будущих задач является поиск новых стабильных материалов с хорошей активностью и особенно низкой стоимостью. Металлические стекла , полимерный нитрид углерода (PCN) и материалы, полученные из металлоорганических каркасов (MOF), — это лишь несколько примеров материалов с электрокаталитическими свойствами, исследования которых в настоящее время инвестируются. [25] [26] [27]

Фотокатализ

Многие фотокаталитические системы могут выиграть от сочетания с благородным металлом; в первом элементе Fujishima-Honda также использовалась пластина сокатализатора. Например, основная конструкция дисперсного фотокаталитического реактора для расщепления воды представляет собой водный золь , в котором дисперсная фаза состоит из полупроводниковых квантовых точек, каждая из которых связана с металлическим сокатализатором: КТ преобразует входящее электромагнитное излучение в экситон, в то время как сокатализатор действует как поглотитель электронов и снижает перенапряжение электрохимической реакции. [28]

Характеристика наночастиц

Некоторые методы, которые можно использовать для характеристики функционализированных катализаторов наноматериалов, включают рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию , просвечивающую электронную микроскопию , спектроскопию кругового дихроизма , спектроскопию ядерного магнитного резонанса , УФ-видимую спектроскопию и связанные с ними эксперименты.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Бахрами, Форух; Панахи, Фархад; Данешгар, Фатима; Юсефи, Реза; Шахсавани, Мохаммад Багер; Халафи-нежад, Али (2016). «Синтез новых производных α-аминофосфоната, включающих азотистые основания бензимидазола, теофиллина и аденина, с использованием магнитных наночастиц, функционализированных l-цистеином (LCMNP), в качестве магнитного катализатора многоразового использования: оценка их противораковых свойств». РСК Прогресс . 6 (7): 5915–5924. дои : 10.1039/C5RA21419J.
  2. ^ Фукуи, Такехиса; Мурата, Кенджи; Охара, Сатоши; Абэ, Хироя; Наито, Макио; Ноги, Киёси (2004). «Контроль морфологии металлокерамического анода Ni – YSZ для работы ТОТЭ при более низких температурах». Журнал источников энергии . 125 (1): 17–21. Бибкод : 2004JPS...125...17F. дои : 10.1016/S0378-7753(03)00817-6.
  3. ^ Пьерлуиджи Барбаро, Франческа Лигуори, изд. (2010). Гетерогенизированные гомогенные катализаторы для производства тонкой химии: материалы и процессы . Дордрехт: Спрингер. ISBN 978-90-481-3695-7.
  4. ^ abc Залесский, Сергей; Анаников Валентин (март 2012 г.). «Pd2 (dba)3 как предшественник растворимых металлических комплексов и наночастиц: определение активных форм палладия для катализа и синтеза». Металлоорганические соединения . 31 (6): 2302–2309. дои : 10.1021/ом201217р.
  5. ^ abcdefghij Панахи, Фархад; Бахрами, Форух; Халафи-нежад, Али (2017). «Магнитные наночастицы, привитые дипептиду l-карнозина: замечательная каталитическая активность в воде при комнатной температуре». Журнал Иранского химического общества . 14 (10): 2211–2220. дои : 10.1007/s13738-017-1157-2. S2CID  103858148.
  6. ^ abc Руко, Ален; Шульц, Юрген; Патен, Анри (2002). «Восстановленные коллоиды переходных металлов: новое семейство многоразовых катализаторов?». Химические обзоры . 102 (10): 3757–3778. дои : 10.1021/cr010350j. ПМИД  12371901.
  7. ^ Аб Ю, Вэйюн; Лю, Ханфан; Лю, Манхун; Лю, Чжицзе (2000). «Селективное гидрирование цитронеллаля в цитронеллол на коллоидах благородных металлов, стабилизированных полимером». Реактивные и функциональные полимеры . 44 (1): 21–29. дои : 10.1016/S1381-5148(99)00073-5.
  8. ^ Буил, Мария Л.; Эстеруэлас, Мигель А.; Ньембро, Сандра; Оливан, Монтсеррат; Ожеховский, Ларс; Пелайо, Кристина; Валлрибера, Аделина (2010). «Дегалогенирование и гидрирование ароматических соединений, катализируемое наночастицами, полученными из комплексов бис(имино)пиридина родия». Металлоорганические соединения . 29 (19): 4375–4383. дои : 10.1021/om1003072. hdl : 10261/52564.
  9. ^ abc Ю, Вт; Лю, М; Лю, Х; Макс; Лю, Z (1998). «Получение, характеристика и каталитические свойства рутениевых коллоидов, стабилизированных полимером». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 208 (2): 439–444. Бибкод : 1998JCIS..208..439Y. doi : 10.1006/jcis.1998.5829. ПМИД  9845688.
  10. ^ Ю, Вэйюн; Лю, Манхун; Лю, Ханфан; Ань, Сяохуа; Лю, Чжицзе; Ма, Сяомин (1999). «Иммобилизация стабилизированных полимером металлических коллоидов путем модифицированного координационного захвата: получение нанесенных металлических коллоидов с особыми каталитическими свойствами». Журнал молекулярного катализа A: Химический . 142 (2): 201–211. дои : 10.1016/S1381-1169(98)00282-9.
  11. ^ аб Тамура, Масару; Фудзихара, Хисаши (2003). «Хиральный бисфосфин BINAP-стабилизированные наночастицы золота и палладия небольшого размера и их асимметричная реакция, катализируемая наночастицами палладия». Журнал Американского химического общества . 125 (51): 15742–15743. дои : 10.1021/ja0369055. ПМИД  14677954.
  12. ^ Леувен, фургон Пита WNM; Чедвик, Джон К. (5 июля 2011 г.). Гомогенные катализаторы: активность, стабильность, дезактивация . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-32329-6.
  13. ^ Льюис, Ларри Н.; Льюис, Натан. (1986). «Платинокатализируемое гидросилилирование - образование коллоида как важный этап». Журнал Американского химического общества . 108 (23): 7228–7231. дои : 10.1021/ja00283a016.
  14. ^ Беллер, Матиас; Фишер, Хартмут; Кюляйн, Клаус; Райзингер, К.-П.; Херрманн, Вашингтон (1996). «Первые реакции Хека, катализируемые палладием, с эффективными коллоидными каталитическими системами». Журнал металлоорганической химии . 520 (1–2): 257–259. дои : 10.1016/0022-328X(96)06398-X.
  15. ^ Венгсаркар, Пранав С.; Сюй, Руй; Робертс, Кристофер Б. (2 декабря 2015 г.). «Осаждение наночастиц оксида железа на оксидный носитель с использованием нового процесса газорасширения жидкости для производства функциональных катализаторов синтеза Фишера-Тропша». Исследования в области промышленной и инженерной химии . 54 (47): 11814–11824. doi : 10.1021/acs.iecr.5b03123. ISSN  0888-5885.
  16. ^ Ходаков, Андрей Юрьевич; Чу, Вэй; Фонгарланд, Паскаль (1 мая 2007 г.). «Достижения в разработке новых кобальтовых катализаторов Фишера-Тропша для синтеза длинноцепочечных углеводородов и чистого топлива». Химические обзоры . 107 (5): 1692–1744. дои : 10.1021/cr050972v. ISSN  0009-2665. ПМИД  17488058.
  17. ^ abcd Мошфег, Аризона (2009). «Наночастицы катализаторы». Журнал физики D: Прикладная физика . 42 (23): 233001. Бибкод : 2009JPhD...42w3001M. дои : 10.1088/0022-3727/42/23/233001.
  18. ^ Анаников, Валентин П.; Орлов, Николай В.; Белецкая, Ирина П. (2007). «Высокоэффективная гетерогенная каталитическая система на основе никеля с наноразмерной структурной организацией для селективного присоединения связи Se-H к терминальным и внутренним алкинам». Металлоорганические соединения . 26 (3): 740–750. дои : 10.1021/om061033b.
  19. ^ Бил, Джеймс. «Новый катализатор наночастиц приближает автомобили на топливных элементах к автосалону». Университет Висконсина в Мэдисоне . Проверено 20 марта 2012 г.
  20. ^ Вэй, Хуэй; Ван, Эркан (21 июня 2013 г.). «Наноматериалы с ферментоподобными характеристиками (нанозимы): искусственные ферменты нового поколения». Обзоры химического общества . 42 (14): 6060–93. дои : 10.1039/C3CS35486E. ISSN  1460-4744. PMID  23740388. S2CID  39693417.
  21. ^ Бэ, Дж. Х.; Хан, Дж. Х.; Чанг, Т.Д. (2012). «Электрохимия на нанопористых границах раздела: новые возможности для электрокатализа». Физическая химия Химическая физика . 14 (2): 448–463. Бибкод : 2012PCCP...14..448B. дои : 10.1039/C1CP22927C. ПМИД  22124339.
  22. ↑ Радтке, Мариуш (1 июля 2015 г.). «Электроосажденный палладий на МУНТ как «полурастворимый гетерогенный» катализатор реакций кросс-сочетания». Буквы тетраэдра . 56 (27): 4084. doi :10.1016/j.tetlet.2015.05.019.
  23. ^ Мистри, Х.; Варела, А.С.; Штрассер, П .; Куэнья, БР (2016). «Наноструктурированные электрокатализаторы с регулируемой активностью и селективностью». Материалы обзоров природы . 1 (4): 1–14. Бибкод : 2016NatRM...116009M. дои :10.1038/natrevmats.2016.9.
  24. ^ Штрассер, П .; Кох, С.; Анниев Т.; Грили, Дж.; Море, К.; Ю, Ц.; Лю, З.; Кая, С.; Нордлунд, Д.; Огасавара, Х.; Тони, МФ; Нильссон, А. (2010). «Решёточно-деформационный контроль активности в катализаторах топливных элементов с делегированным ядром». Природная химия . 2 (6): 454–460. Бибкод : 2010НатЧ...2..454С. дои : 10.1038/nchem.623. ПМИД  20489713.
  25. ^ Ху, Ю.К.; Сан, К.; Сан, К. (2019). «Функциональное применение металлических стекол в электрокатализе». ChemCatChem . 11 (10): 2401–2414. дои : 10.1002/cctc.201900293. S2CID  132328392.
  26. ^ Ван, З.; Ху, Х.; Цзоу, Г.; Хуанг, З.; Тан, З.; Лю, К.; Обнимать.; Гэн, Д. (2019). «Достижения в создании полимерных нанокомпозитов на основе нитрида углерода и их применение в энергохимии». Устойчивая энергетика и топливо . 3 (3): 611–655. дои : 10.1039/C8SE00629F.
  27. ^ Лю, X.; Ву, Ю.; Гуань, К.; Читам, АК; Ван, Дж. (2018). «Наногибриды на основе MOF для электрокатализа и хранения энергии: современное состояние и перспективы». Химические коммуникации . 54 (42): 5268–5288. дои : 10.1039/C8CC00789F. ПМИД  29582028.
  28. ^ Чен, С.; Таката, Т.; Домен, К. (2017). «Частичные фотокатализаторы для общего расщепления воды». Материалы обзоров природы . 2 (10): 17050. Бибкод : 2017NatRM...217050C. дои :10.1038/natrevmats.2017.50.

дальнейшее чтение