Jump to content

Катализатор на основе наноматериалов

Катализаторы на основе наноматериалов обычно представляют собой гетерогенные катализаторы, разбитые на металлов наночастицы 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

[ редактировать ]

Функционализированные наночастицы металлов более стабильны по отношению к растворителям по сравнению с нефункционализированными наночастицами металлов. [5] [6] В жидкостях на наночастицы металлов может действовать 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

[ редактировать ]

Дегалогенирование и гидрирование

[ редактировать ]

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 дейтерием используется для избирательного мечения ароматического кольца для использования в экспериментах по кинетическому изотопному эффекту . Буил и др. создали родия комплексы , из которых образовались наночастицы родия. Эти наночастицы катализировали дегалогенирование ароматических соединений, а также гидрирование бензола в циклогексан . [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

[ редактировать ]
Реакция гидросилилирования

Восстановление к золота , кобальта , никеля , палладия или платины силанами металлоорганических комплексов приводит 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] Реакцию также может катализировать наночастица, состоящая из двух металлов. [5] [13]

Органические окислительно-восстановительные реакции

[ редактировать ]
Реакция окисления циклогексана с образованием адиаповой кислоты.

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

Реакции сочетания CC

[ редактировать ]
Черт возьми, реакция сочетания

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

Было обнаружено, что наночастицы палладия эффективно катализируют реакции сочетания Хека. Было обнаружено, что повышенная наночастиц палладия электроотрицательность лигандов 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 кросс-сочетания . реакции [4] Считалось, что Pd2(dba)3 является гомогенным каталитическим предшественником, но недавние статьи предполагают, что образуются наночастицы палладия, что делает его гетерогенным каталитическим предшественником. [4]

Альтернативные виды топлива

[ редактировать ]

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.

иттрием стабилизированные Было обнаружено, что наночастицы циркония, , 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 и контролировать загрязнение 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, с более стабильным током поскольку они производят электрод . [17]

Лекарство

[ редактировать ]

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

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

[ редактировать ]

Нанокатализаторы представляют широкий интерес в топливных элементах и ​​электролизерах, где катализатор сильно влияет на эффективность.

Нанопористые поверхности

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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

[ редактировать ]

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.

См. также

[ редактировать ]
  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. ^ Перейти обратно: а б с 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/om201217r .
  5. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж 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. ^ Перейти обратно: а б с 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. ^ Перейти обратно: а б 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. ^ Перейти обратно: а б с Ю, В; Лю, М; Лю, Х; Ма, Х; 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. ^ Перейти обратно: а б 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. ^ Перейти обратно: а б с д 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 на основе наночастиц приближает автомобили на топливных элементах к автосалонам» . 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 . ПМИД   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 и оболочкой». Природная химия . 2 (6): 454–460. Бибкод : 2010НатЧ...2..454С . дои : 10.1038/nchem.623 . ПМИД   20489713 .
  25. ^ Ху, ЮК; 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). «Фотокатализаторы твердых частиц для общего расщепления воды». Материалы обзоров природы . 2 (10): 17050. Бибкод : 2017NatRM...217050C . дои : 10.1038/natrevmats.2017.50 .

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
  • Сантэн, Рутгер Энтони ван; Нейрок, Мэтью (2006). Молекулярный гетерогенный катализ: концептуальный и вычислительный подход (под ред. [Online-Ausg.]). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-29662-0 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 1c8c00610ed846fdadfcc3806756a351__1698220200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/1c/51/1c8c00610ed846fdadfcc3806756a351.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Nanomaterial-based catalyst - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)