Катализатор на основе наноматериалов

редактировать

Катализаторы на основе наноматериалов обычно гетерогенные катализаторы, разбитые на металл наночастицы для усиления каталитического процесса. Наночастицы металлов имеют большую площадь поверхности , что может повысить каталитическую активность. Катализаторы из наночастиц можно легко отделить и переработать. Обычно они используются в мягких условиях для предотвращения разложения наночастиц.

Содержание

  • 1 Функционализированные наночастицы
  • 2 Возможные области применения
    • 2.1 Дегалогенирование и гидрирование
    • 2.2 Реакции гидросилилирования
    • 2.3 Органические окислительно-восстановительные реакции
    • 2.4 Реакции сочетания CC
    • 2.5 Альтернативные виды топлива
    • 2.6 Медицина
    • 2.7 Нанозимы
  • 3 Наноструктуры для электрокатализа
    • 3.1 Нанопористые поверхности
    • 3.2 Наночастицы
    • 3.3 Нанопроволоки
    • 3.4 Материалы
  • 4 Фотокатализ
  • 5 Характеристика наночастиц
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки
  • 8 Дополнительная литература

Функционализированные наночастицы

Функционализированные наночастицы металлов более устойчивы к растворителям по сравнению с к нефункционализированным металлическим наночастицам. В жидкостях металлические наночастицы могут подвергаться воздействию силы Ван-дер-Ваальса. Агрегация частиц иногда может снизить каталитическую активность за счет уменьшения площади поверхности. Наночастицы также могут быть функционализированы полимерами или олигомерами для стерической стабилизации наночастиц за счет создания защитного слоя, который предотвращает взаимодействие наночастиц друг с другом. Сплавы из двух металлы, называемые биметаллическими наночастицами, используются для создания синергетических эффектов катализа между двумя металлами.

Возможные применения

Дегалогенирование и гидрирование

Катализаторы на основе наночастиц активны для гидрогенолиза связей C-Cl, таких как полихлорированные бифенилы. Другая реакция - гидрирование галогенированных ароматических аминов также важна для синтеза гербицидов и пестицидов, а также дизельного топлива.. В органической химии гидрирование связи C-Cl с помощью дейтерия используется для селективной маркировки ароматического кольца для использования в экспериментах, связанных с кинетическим изотопный эффект. Buil et al. создали родиевые комплексы, которые генерируют наночастицы родия. Эти наночастицы катализируют дегалогенирование ароматических соединений, а также гидрирование бензола до циклогексана. Стабилизированные полимером наночастицы также можно использовать для гидрирования коричного альдегида и цитронеллаля. Yu et al. обнаружили, что нанокатализаторы рутения более селективны в гидрировании цитронеллаля по сравнению с используемыми традиционными катализаторами.

Реакции гидросилилирования

Реакция гидросилилирования

Восстановление золота <Металлоорганические комплексы 81>, кобальта, никеля, палладия или платины с силанами образуют металлические наночастицы, которые катализируют реакция гидросилилирования. BINAP -функционализированные наночастицы палладия и наночастицы золота были использованы для гидросилилилирования стирола в мягких условиях; Они оказались более каталитически активными и более стабильными, чем комплексы Pd-BINAP, не являющиеся наночастицами. Реакцию также может катализировать наночастица, состоящая из двух металлов.

Органические окислительно-восстановительные реакции

Реакция окисления циклогексана с синтезом адиапиновой кислоты

Реакция окисления с образованием адипиновой кислоты показан на рисунке 3, и он может катализироваться наночастицами кобальта. Его используют в промышленных масштабах для производства полимера нейлон 6,6. Другие примеры реакций окисления, которые катализируются металлическими наночастицами, включают окисление циклооктана, окисление этена и окисление глюкозы.

Реакции сочетания CC

Реакция сочетания Хека

Металлические наночастицы могут катализировать реакции сочетания C – C, такие как гидроформилирование олефинов, синтез витамин E и реакции сочетания Хека и сочетания Сузуки.

Было обнаружено, что наночастицы палладия эффективно катализируют реакции сочетания Хека. Было обнаружено, что повышенная электроотрицательность лигандов на наночастицах палладия увеличивает их каталитическую активность.

Соединение Pd 2 (dba) 3 представляет собой источник Pd (0), который является каталитически активным источником палладия, используемым во многих реакциях, включая реакции перекрестного сочетания. Pd2 (dba) 3 считался гомогенным каталитическим предшественником, но недавние статьи предполагают, что образуются наночастицы палладия, что делает его гетерогенным каталитическим предшественником.

Альтернативные виды топлива

оксид железа Наночастицы и кобальта могут быть загружены на различные поверхностно-активные материалы, такие как оксид алюминия, для преобразования таких газов, как оксид углерода и водород в жидкое углеводородное топливо с использованием процесса Фишера-Тропша.

Многие исследования катализаторов на основе наноматериалов связаны с максимизацией эффективности покрытия катализатора в топливных элементах. Платина в настоящее время является наиболее распространенным катализатором для этого применения, однако она дорогая и редкая, 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 эффективной и экономичной альтернативой платине. Наночастицы золота также проявляют каталитические свойства, несмотря на то, что золото в массе не реагирует. Было обнаружено, что

стабилизированные иттрием наночастицы циркония повышают эффективность и надежность твердооксидного топливного элемента. Катализаторы из наноматериалов рутений / платина потенциально могут быть использованы для катализирования очистки водорода для хранения водорода. Наночастицы палладия могут быть функционализированы металлоорганическими лигандами, чтобы катализировать окисление CO и NO для контроля загрязнения воздуха в окружающей среде. Катализаторы на углеродных нанотрубках могут использоваться в качестве катодная каталитическая подложка для топливных элементов и металлических наночастиц была использована для катализа роста углеродных нанотрубок. Биметаллические наночастицы платины и кобальта в сочетании с углеродными нанотрубками являются многообещающими кандидатами для топливных элементов с прямым метанолом, поскольку они производят более стабильный ток электрод.

Медицина

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

Нанозимы

Помимо обычного катализа, были исследованы наноматериалы для имитации природных ферментов. Наноматериалы с активностью, имитирующей ферменты, называются нанозимами. Множество наноматериалов было использовано для имитации различных природных ферментов, таких как оксидаза, пероксидаза, каталаза, СОД, 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 широкий интерес в топливных элементах и ​​электролизерах, где катализатор сильно влияет на эффективность.

Нанопористые поверхности

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

Наночастицы

Одним из недостатков использования наночастиц является их склонность к агломерации. Проблема может быть уменьшена с помощью правильного носителя 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.

Нанопроволока

Нанопроволока очень интересна для электрокаталитических целей, потому что ее легче производить, а контроль их характеристик в процессе производства достаточно точен. Кроме того, нанопроволоки могут увеличивать фарадеевскую эффективность из-за их пространственной протяженности и, следовательно, большей доступности реагентов на активной поверхности.

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. 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%.

Одна из задач будущего - найти новые стабильные материалы с хорошей производительностью и особенно низкой стоимостью. Металлические стекла, (PCN) и материалы, полученные из металлоорганических каркасов (MOF), - это лишь несколько примеров материалов с электрокаталитическими свойствами, в исследования которых в настоящее время инвестируются средства.

Фотокатализ

Многие фотокаталитические системы могут выиграть от сочетания с благородным металлом; В первом элементе Fujishima-Honda также использовалась пластина сокатализатора. Например, основной конструкцией дисперсного фотокаталитического реактора для разделения воды является конструкция водного золя, в котором дисперсная фаза состоит из полупроводниковых квантовых точек каждый из них связан с металлическим сокатализатором: КТ преобразует входящее электромагнитное излучение в экситон, в то время как сокатализатор действует как поглотитель электронов и снижает перенапряжение электрохимической реакции.

Характеристика наночастиц

Некоторые методы, которые могут быть использованы для характеристики функционализированных катализаторов из наноматериалов, включают рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию, просвечивающую электронную микроскопию, спектроскопию кругового дихроизма, спектроскопия ядерного магнитного резонанса, УФ-видимая спектроскопия и связанные с ними эксперименты.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

  • Сантен, Рутгер Энтони ван; Neurock, Мэтью (2006). Молекулярный гетерогенный катализ: концептуальный и вычислительный подход ([Online-Ausg.] Ред.). Вайнхайм: Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29662-0.
Последняя правка сделана 2021-05-31 09:20:21
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте