Катализатор на основе наноматериалов - Nanomaterial-based catalyst

Катализаторы на основе наноматериалов обычно гетерогенные катализаторы разбит на металл наночастицы для усиления каталитического процесса. Наночастицы металлов имеют высокую площадь поверхности, что может повысить каталитическую активность. Катализаторы из 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 устойчивы к растворителям по сравнению с нефункционализированными металлическими наночастицами.[5][6] В жидкостях наночастицы металлов могут подвергаться воздействию сила Ван дер Ваальса. Агрегация частиц иногда может снизить каталитическую активность за счет уменьшения площади поверхности.[7] Наночастицы также можно функционализировать с помощью полимеры или олигомеры для стерической стабилизации наночастиц путем создания защитного слоя, который предотвращает взаимодействие наночастиц друг с другом.[8] Сплавы двух металлов, называемых биметаллическими наночастицами, используются для создания синергетический эффекты на катализ между двумя металлами.[9]

Возможные приложения

Дегалогенирование и гидрирование

Катализаторы из наночастиц активны для гидрогенолиз связей C-Cl, таких как полихлорированные бифенилы.[5][6] Другая реакция - гидрирование галогенированных ароматические амины также важно для синтез из гербициды и пестициды а также дизельное топливо.[5] В органическая химия, гидрирование связи C-Cl с дейтерий используется для выборочной маркировки ароматическое кольцо для использования в экспериментах с кинетический изотопный эффект. Buil и другие. создан родий комплексы которые генерировали наночастицы родия. Эти наночастицы катализируют дегалогенирование ароматических соединений, а также гидрирование бензол к циклогексан.[6]Стабилизированные полимером наночастицы также могут быть использованы для гидрирования коричный альдегид и цитронеллаль.[5][7][10][9] Ю и другие. обнаружили, что нанокатализаторы рутения более селективны при гидрировании цитронеллаля по сравнению с используемыми традиционными катализаторами.[9]

Реакции гидросилилирования

Реакция гидросилилирования

В Сокращение из золото, кобальт, никель, палладий, или платина металлоорганические комплексы с силаны производит металлические наночастицы, которые катализируют реакцию гидросилилирования.[11] БИНАП -функционализированные наночастицы палладия и наночастицы золота были использованы для гидросилирования стирол в мягких условиях; Они оказались более каталитически активными и более стабильными, чем комплексы Pd-BINAP, не являющиеся наночастицами.[11][12] Реакция также может катализироваться наночастицей, состоящей из двух металлов.[5][13]

Органические окислительно-восстановительные реакции

Реакция окисления циклогексана с получением адиапиновой кислоты

Реакция окисления с образованием адипиновая кислота показан на рисунке 3, и он может катализироваться наночастицами кобальта.[5] Это используется в промышленных масштабах для производства нейлон 6,6 полимер. Другие примеры реакций окисления, которые катализируются металлическими наночастицами, включают окисление циклооктан, то окисление из этен, и глюкоза окисление.[5]

Реакции сочетания C-C

Реакция сочетания Хека

Металлические наночастицы могут катализировать реакции сочетания C – C, такие как гидроформилирование из олефины,[5] синтез витамин Е и Черт возьми и Муфта Suzuki реакции.[5]

Было обнаружено, что наночастицы палладия эффективно катализируют реакции сочетания Хека. Было обнаружено, что увеличилось электроотрицательность из лиганды на наночастицах палладия увеличивалась их каталитическая активность.[5][14]

Соединение Pd2(dba)3 является источником Pd (0), который является каталитически активным источником палладия, используемого для многих реакций, в том числе перекрестная связь реакции.[4] Pd2 (dba) 3 считался однородный каталитический предшественник, но в недавних статьях предполагается, что образуются наночастицы палладия, что делает его гетерогенным каталитическим предшественником.[4]

Альтернативные виды топлива

Оксид железа и кобальт наночастицы могут быть загружены на различные поверхностно-активные материалы, такие как глинозем для преобразования газов, таких как монооксид углерода и водород в жидкий углеводород топливо с использованием Фишер-Тропш процесс.[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 он дорог и редок, поэтому было проведено множество исследований, направленных на максимальное увеличение каталитических свойств других металлов путем их сжатия до наночастиц в надежде, что когда-нибудь они станут эффективными и эффективными. экономичная альтернатива платине. Золотые наночастицы также выставляем каталитические свойства, несмотря на то, что основная масса золота инертна.

Иттрий стабилизированный цирконий Было обнаружено, что наночастицы повышают эффективность и надежность твердооксидный топливный элемент.[17][18] Катализаторы рутений / платина из наноматериалов потенциально могут быть использованы для катализирования очистки водорода для хранение водорода.[19] Наночастицы палладия могут быть функционализированы металлоорганическими лигандами, чтобы катализировать окисление CO и NO для контроля загрязнение воздуха в Окружающая среда.[17]Катализаторы на основе углеродных нанотрубок может использоваться в качестве катодной каталитической подложки для топливных элементов, а металлические наночастицы использовались для катализирования роста углеродные нанотрубки.[17] Биметаллические наночастицы платина-кобальт в сочетании с углеродные нанотрубки являются перспективными кандидатами на топливные элементы с прямым метанолом поскольку они производят более высокий стабильный ток электрод.[17]

Лекарство

В магнитная химия, наночастицы могут быть использованы в качестве носителя катализатора в медицинских целях.

Нанозимы

Помимо обычного катализа, были исследованы наноматериалы для имитации природных ферментов. Наноматериалы с активностью, имитирующей ферменты, называются нанозимы.[20] Многие наноматериалы использовались для имитации различных природных ферментов, таких как оксидаза, пероксидаза, каталаза, SOD, нуклеаза и т. Д. Нанозимы нашли широкое применение во многих областях, от биочувствительности и биовизуализации до терапии и очистки воды.

Наноструктуры для электрокатализа

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

Нанопористые поверхности

Основная статья: Нанопористые материалы

В топливных элементах для изготовления катодов широко используются нанопористые материалы. Пористые наночастицы платины обладают хорошей активностью в нанокатализе, но менее стабильны и их время жизни невелико.[21]

Наночастицы

Основная статья: Наночастицы

Одним из недостатков использования наночастиц является их склонность к агломерации. Проблема может быть решена правильным носитель катализатора. Наночастицы являются оптимальными структурами для использования в качестве наносенсоров, поскольку их можно настроить для обнаружения определенных молекул. Примеры наночастиц Pd, электроосажденных на многослойные углеродные нанотрубки, показали хорошую активность в отношении катализа реакций кросс-сочетания.[22].

Нанопровода

Основная статья: Нанопроволока

Нанопроволоки очень интересны для электрокаталитических целей, потому что их легче производить, а контроль их характеристик в процессе производства достаточно точен. Также нанопроволоки могут увеличивать фарадеевская эффективность из-за их пространственной протяженности и, следовательно, большей доступности реагентов на активной поверхности.[23]

Материалы

Наноструктуры, участвующие в процессах электрокатализа, могут состоять из различных 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). наноматериалы проявляют новые свойства благодаря характеристикам каждого металла. Преимущества заключаются в повышении активности, селективности и стабильности, а также в снижении затрат. Металлы можно комбинировать по-разному, например, в биметаллической структуре ядро-оболочка: самый дешевый металл образует ядро, а самый активный (обычно благородный металл) составляет оболочку. Приняв эту конструкцию, можно сократить использование редких и дорогих металлов до 20%.[24]

Одна из задач будущего - найти новые стабильные материалы с хорошей производительностью и особенно низкой стоимостью. Металлические очки, полимерный нитрид углерода (PCN) и материалы, полученные из металлоорганические каркасы (MOF) - это всего лишь несколько примеров материалов с электрокаталитическими свойствами, в исследования которых в настоящее время инвестируются средства.[25][26][27]

Фотокатализ

Многие фотокаталитические системы могут выиграть от связывания с благородным металлом; В первом элементе Fujishima-Honda также использовалась пластина сокатализатора. Например, принципиальная конструкция дисперсного фотокаталитического реактора для расщепление воды это то из водный золь в котором дисперсная фаза состоит из полупроводника квантовые точки каждый из них связан с металлическим сокатализатором: КТ преобразует поступающее 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 из наноматериалов, включают: Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, спектроскопия кругового дихроизма, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, УФ-видимая спектроскопия и связанные эксперименты.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Бахрами, Форух; Панахи, Фархад; Данешгар, Фатемех; Юсефи, Реза; Шахсавани, Мохаммад Багер; Халафи-Нежад, Али (2016). «Синтез новых производных α-аминофосфоната, включающих бензимидазол, теофиллин и аденин-нуклеотидные основания, с использованием функционализированных l-цистеином магнитных наночастиц (LCMNP) в качестве магнитного многоразового катализатора: оценка их противораковых свойств». RSC Advances. 6 (7): 5915–5924. Дои:10.1039 / C5RA21419J.
  2. ^ Фукуи, Такехиса; Мурата, Кенджи; Охара, Сатоши; Абэ, Хироя; Найто, Макио; Ноги, Киёси (2004). «Контроль морфологии керметного анода Ni – YSZ для низкотемпературной эксплуатации ТОТЭ». Журнал источников энергии. 125 (1): 17–21. Bibcode: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. ^ а б c Залесский, Сергей; Анаников Валентин (март 2012). «Pd2 (dba) 3 как предшественник растворимых комплексов металлов и наночастиц: определение активных форм палладия для катализа и синтеза». Металлоорганические соединения. 31 (6): 2302–2309. Дои:10.1021 / om201217r.
  5. ^ а б c d е ж г час я j Панахи, Фархад; Бахрами, Форух; Халафи-Нежад, Али (2017). «Привитые магнитными наночастицами дипептид 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.
  6. ^ а б c Руку, Ален; Шульц, Юрген; Патин, Анри (2002). «Коллоиды с пониженным содержанием переходных металлов: новое семейство многоразовых катализаторов?». Химические обзоры. 102 (10): 3757–3778. Дои:10.1021 / cr010350j. PMID  12371901.
  7. ^ а б Ю, Вэйён; Лю, Ханьфань; Лю, Манхонг; Лю, Чжицзе (2000). «Селективное гидрирование цитронеллаля в цитронеллол над стабилизированными полимером коллоидами благородных металлов». Реактивные и функциональные полимеры. 44 (1): 21–29. Дои:10.1016 / S1381-5148 (99) 00073-5.
  8. ^ Buil, María L .; Esteruelas, Miguel A .; Ниембро, Сандра; Оливан, Монтсеррат; Ожеховски, Ларс; Пелайо, Кристина; Валлрибера, Аделина (2010). «Дегалогенирование и гидрирование ароматических соединений, катализируемых наночастицами, образованными из родиевых бис (имино) пиридиновых комплексов». Металлоорганические соединения. 29 (19): 4375–4383. Дои:10.1021 / om1003072. HDL:10261/52564.
  9. ^ а б c Ю, З; Лю, М; Лю, H; Максимум; Лю, Z (1998). «Получение, характеристика и каталитические свойства полимер-стабилизированных коллоидов рутения». Журнал коллоидной и интерфейсной науки. 208 (2): 439–444. Bibcode:1998JCIS..208..439Y. Дои:10.1006 / jcis.1998.5829. PMID  9845688.
  10. ^ Ю, Вэйён; Лю, Манхонг; Лю, Ханьфань; Ань, Сяохуа; Лю, Чжицзе; Ма, Сяомин (1999). «Иммобилизация полимер-стабилизированных металлических коллоидов с помощью модифицированного координационного захвата: получение нанесенных металлических коллоидов с исключительными каталитическими свойствами». Журнал молекулярного катализа A: химический. 142 (2): 201–211. Дои:10.1016 / S1381-1169 (98) 00282-9.
  11. ^ а б Тамура, Масару; Фуджихара, Хисаши (2003). «Хиральные бисфосфиновые BINAP-стабилизированные наночастицы золота и палладия с малым размером и их асимметричная реакция, катализируемая наночастицами палладия». Журнал Американского химического общества. 125 (51): 15742–15743. Дои:10.1021 / ja0369055. PMID  14677954.
  12. ^ Леувен, Пит W.N.M. фургон; Чедвик, Джон С. Гомогенные катализаторы: активность, стабильность, дезактивация.. Вайнхайм, Германия: Wiley -VCH. ISBN  978-3-527-32329-6.
  13. ^ Льюис, Ларри Н .; Льюис, Натан. (1986). «Гидросилилирование, катализируемое платиной, - образование коллоидов как важный этап». Журнал Американского химического общества. 108 (23): 7228–7231. Дои:10.1021 / ja00283a016.
  14. ^ Беллер, Матиас; Фишер, Хартмут; Кюляйн, Клаус; Reisinger, C.-P .; Херрманн, W.A. (1996). «Первые катализируемые палладием реакции Хека с эффективными коллоидными каталитическими системами». Журнал металлоорганической химии. 520 (1–2): 257–259. Дои:10.1016 / 0022-328X (96) 06398-X.
  15. ^ Vengsarkar, Pranav S .; Сюй, Руи; Робертс, Кристофер Б. (02.12.2015). «Осаждение наночастиц оксида железа на оксидный носитель с использованием нового жидкого процесса с газовым расширением для производства функциональных катализаторов синтеза Фишера-Тропша». Промышленные и инженерные химические исследования. 54 (47): 11814–11824. Дои:10.1021 / acs.iecr.5b03123. ISSN  0888-5885.
  16. ^ Ходаков Андрей Юрьевич; Чу, Вэй; Фонгарланд, Паскаль (01.05.2007). «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. PMID  17488058.
  17. ^ а б c d Moshfegh, AZ (2009). «Наночастицы катализаторов». Журнал физики D: Прикладная физика. 42 (23): 233001. Bibcode: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 добавления связи Se-H к концевым 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 выставочному залу». Университет Висконсина в Мэдисоне. Получено 20 марта 2012.
  20. ^ Вэй, Хуэй; Ван, Эрканг (21.06.2013). «Наноматериалы с ферментативными характеристиками (нанозимы): искусственные ферменты нового поколения». Обзоры химического общества. 42 (14): 6060–93. Дои:10.1039 / C3CS35486E. ISSN  1460-4744. PMID  23740388.
  21. ^ Bae, J.H .; Han, J.H .; Чанг, Т. Д. (2012). «Электрохимия на нанопористых границах раздела: новая возможность электрокатализа». Физическая химия Химическая физика. 14 (2): 448–463. Bibcode:2012PCCP ... 14..448B. Дои:10.1039 / C1CP22927C. PMID  22124339.
  22. ^ Радтке, Мариуш (1 июля 2015 г.). «Электроосажденный палладий на МУНТ как« полурастворимый гетерогенный »катализатор для реакций кросс-сочетания». Буквы Тетраэдра. 56 (27): 4084. Дои:10.1016 / j.tetlet.2015.05.019.
  23. ^ Mistry, H .; Varela, A.S .; Штрассер, П .; Куэния, Б. (2016). «Наноструктурированные электрокатализаторы с регулируемой активностью и селективностью». Nature Reviews Материалы. 1 (4): 1–14. Bibcode:2016НатРМ ... 116009М. Дои:10.1038 / натревмац.2016.9.
  24. ^ Штрассер, П .; Koh, S .; Анниев, Т .; Greeley, J .; Подробнее, К .; Yu, C .; Liu, Z .; Kaya, S .; Nordlund, D .; Ogasawara, H .; Тони, М.Ф .; Нильссон, А. (2010). «Контроль деформации решетки активности в катализаторах топливных элементов с удаленной активной зоной и оболочкой». Химия природы. 2 (6): 454–460. Bibcode:2010НатЧ ... 2..454С. Дои:10.1038 / nchem.623. PMID  20489713.
  25. ^ Hu, Y.C .; Sun, C .; Солнце, К. (2019). «Функциональные применения металлических стекол в электрокатализе». ChemCatChem. 11 (10): 2401–2414. Дои:10.1002 / cctc.201900293.
  26. ^ Wang, Z .; Ху, X .; Zou, G .; Хуанг, З .; Tang, Z .; Liu, Q .; Объятие.; Гэн, Д. (2019). «Достижения в создании полимерных нанокомпозитов на основе нитрида углерода и их применение в энергетической химии». Устойчивая энергетика и топливо. 3 (3): 611–655. Дои:10.1039 / C8SE00629F.
  27. ^ Лю, X .; Wu, Y .; Guan, C .; Cheetham, A.K .; Ван, Дж. (2018). "Наногибриды на основе MOF для электрокатализа и хранения энергии: текущее состояние и перспективы". Химические коммуникации. 54 (42): 5268–5288. Дои:10.1039 / C8CC00789F. PMID  29582028.
  28. ^ Chen, S .; Takata, T .; Домен, К. (2017). «Фотокатализаторы на частицах для полного расщепления воды». Nature Reviews Материалы. 2 (10): 17050. Bibcode:2017НатРМ ... 217050C. Дои:10.1038 / натревмац.2017.50.

дальнейшее чтение

  • Сантен, Рутгер Энтони ван; Neurock, Мэтью (2006). Молекулярно-гетерогенный катализ: концептуальный и вычислительный подход ([Online-Ausg.] Ред.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-29662-0.