بخشی از مقاله
مطالعه و بررسی انواع روش های سنتز نانو ذرات پلاتین
چکیده
در سال های اخیر، نانوذرات به دلیل خواص ویژه و همچنین کاربردهای تکنولوژیکی توجه زیادی را به خود جلب کرده است. کاهش اندازه ذرات تا حد نانومتری باعث توسعه رفتارهای مغناطیسی، الکتریکی، شیمیایی، افزایش نسبت سطح به حجم و غیره می گردد . در این میان، نانوذرات پلاتین به دلیل خواص کاتالیستی، اپتیکی ، مغناطیسی و مقاومت در برابر اکسیداسیون و خوردگی در دمای بالا، کاربردهای بسیار زیادی در صنایع مختلف اعم از پتروشیمی و فرایند های نفتی همانند تولید اسید نیتریک و کراکینگ نفت خام، پزشکی، زیست محیطی، پیل های سوختی و خورشیدی و ساخت الکتروکاتالیست ها و کاتالیست ها را داراست. همچنین پلاتین ماده ای پایدار و ارزشمند به عنوان الکترود فلزی است. کاربردهای نانوذرات پلاتین، مورفولوژی و اندازه نهایی ذرات، تحت تاثیر نوع روش های سنتز نانوذرات پلاتین است. در روش های تولید نانوذرات، راه های زیادی برای کنترل ابعاد وجود دارد که با انتخاب مناسب روش سنتز می توان بهترین و مناسب ترین اندازه نانوذرات را به دست آورد که در نتیجه آن به بیشینه فعالیت و بیش ترین پایدرای می توان دست یافت. در این مقاله، مروری بر انواع روش های سنتز نانوذرات پلاتین همانند روش هیدروترمال، سل ژل، سونوشیمی، میکروامولسیون، روش احیاء شیمیایی و روش سنتز سبز و یا تلفیقی از این روش ها صورت گرفته است که هر کدام ویژگی ها و مزایای خاص خود را برای استفاده دارا هستند.
لغات کلیدی: نانوذرات، پلاتین، سنتز
1
مقدمه
امروزه توجه زیادی به سنتز نانوذرات فلزی با توجه به کاربردهای آن صورت گرفته است. یک نوع از نانوذرات، نانوذرات پلاتین است که به دلیل خواص آنتی اکسیدان و مقاومت در برابر خوردگی ، کاربردهای زیادی در زمینه های مختلف شامل نانوتکنولوژی، کاتالیست ها، پزشکی، پیل های سوختی، تولید اسید سیتریک و کراکینگ نفت خام و سنتز مواد نجیب با خواص منحصر به فرد، را داراست.[1] همچنین پلاتین ماده ای پایدار و ارزشمند به عنوان الکترود فلزی است و علاوه بر این پلاتین یکی از مواد خیلی نادر و گران است به همین دلیل تلاش های زیادی برای سنتز بهینه، کاهش اندازه و افزایش سطح ذرات پلاتین صورت گرفته است.[2]
تاکنون روش های مختلفی برای سنتز نانوذرات پلاتین صورت گرفته است که از آن جمله می توان به موارد زیر اشاره نمود: دو1 و همکارانش [3] و وی وانگ2 و همکارانش [4] از روش آبی حرارتی3، لورا آبجرا4و همکارانش [5] از روش سونوشیمی، گروه بوتونت[6] 5و پال6 و همکارانش[7] از روش میکروامولسیون، ترانشی7 و همکارانش [8] و لوتی بلوچو 8و همکارانش[9] از روش احیاء شیمایی معمولی، کیمورا9 و همکارانش[10] از روش احیاء شیمیایی در دمای بالا و فشار بالا، مورریا10و همکارانش[11] با استفاده از پلاسما کم فشار، شنی11 و همکارانش [12] و لنک12 و همکارانش [13] از روش سبز استفاده نمودند.
ساختار بلوری پلاتین
پلاتین یکی از عنصر های شیمیایی از گروه فلزات واسطه و به رنگ سفید-خاکستری، متراکم، رسانا و شکل پذیر است. این ماده کمترین واکنش پذیری را در بین تمامی فلزات و مقاومت خوردگی بسیار بالا حتی در محیط های بسیار داغ دارد.[14] پلاتین دارای ساختار مکعبی مرکز پر13 است و هم چنین این ماده دارای 12 ایزوتوپ، 190Pt، 192Pt، 194Pt، 196Pt و 198Pt است که فراوان ترین آن 195Pt می باشد.[2]
روش های سنتز نانوذارت پلاتین آبی حرارتی
روشهای آبی-حرارتی14 و حلالی-حرارتی15 آسان بوده و احتیاجی به استفاده از الگو یا عوامل فعال سطحی جهت سنتز نانوذرات پلاتین ندارند فرایند آبی-حرارتی شامل واکنشی ناهمگن است که در حلالهای آبی
2
تحت شرایط دما و فشار بالا اتفاق میافتد. فرایند حلالی-حرارتی از نظر استفاده از حلالهای غیر آبی با فرایند آبیحرارتی- تفاوت دارد. این دو فرایند معمولاً در محفظهی اُتوکلاو اتفاق میافتند. اما تفاوت عمده بین روشهای آبی-حرارتی و حلالی-حرارتی در سنتز نانوذرات پلاتین، پیش مادهی پلاتینی است. در فرایند آبی-حرارتی جهت سنتز نانوذرات پلاتین، بیشتر از H2PtCl6.xH2O استفاده میشود در صورتی که در فرایند حلالی-حرارتی از ترکیباتی نظیر پلاتیناستیلاستونات استفاده میشود. محققان مختلف روش آبی حرارتی را به صورت های مختلفی مورد استفاده قرار داده اند. دو و همکارانش[3]، نانوذرات پلاتین را با استفاده از یک نوع کوپلیمرهای پلورونیک16 به عنوان عامل کاهنده و پایدار ساز، سنتز نمودند. دراین روش، 20 میلی لیتر آب به همراه 0,5 گرم پلی ( اتیلن اکسید)-17 پلی (پروپیلن اکسید)-18 پلی (اتین اکسید)19 (به اختصار (PEOx-PPOy-PEOx) یا (P123 و 0,1 گرم K2PtCl6 به داخل محفظه پلی تترا فلور اتیلن20 ریخته شد و سپس در داخل اتوکلاو در دمای 120 درجه سانتیگراد به مدت 12 ساعت قرار گرفت. سپس محلول کلوییدی خاکستری حاصله جدا، شسته و خشک گردید. مشاهده شد نانوذرات پلاتین حاصل دارای ساختار مکعبی و به صورت کروی و دارای قطر متوسط 4,5 نانومتر است و با کاهش مقدار P123 به 0,25 گرم و کاهش دما به 100 درجه سانتیگراد قطر متوسط نانوذرات به ترتیب به اندازه های 5,7 و 3,8 نانومترتغییر می نماید.
3
شکل 1 تصاویر SEM نانوذرات پلاتین 0,5 grP123 (a و [3] T=100 C (c 0, 25gr P123 (b T=120 C
وی ونگ و همکارانش [4] نیز از روش هیدروترمال با استفاده ازمحلول نشاسته به عنوان عامل کاهنده، برای سنتز نانوذرات پلاتین استفاده نمودند. آن ها، 175میکرولیتر از 0,5مولارH2PtCl6 به 170 میلی لیتر محلول 0,1مولار نشاسته تحت همزدن شدید اضافه نمودند و سپس محلول همگن حاصل به داخل محفظه 80 میلی لیتر اتوکلاو با پوشش تفلون منتقل شد و در دمای 160درجه سانتی گراد و برای 24 ساعت عملیات سنتز صورت گرفت و سپس به محلول اجازه داده شد تا دمای اتاق سرد گردد سپس محصول نهایی حاصله توسط سانتریفیوژ جمع آوری و با آب مقطر و اتانول چندین دفعه شسته شد. در این پژوهش اندازه نانوذرات پلاتین حاصله 10-20نانو متر است.
سل- ژل
فرایندسُل- ژلروش شیمیایی تَر برای تولید نانوذرات پلاتینی است. این روش بر اساس روشهای هیدرولیز با استفاده از آلکوکسیدهای فلزی است که متحمل واکنشهای هیدرولیز و چند تراکمی میشوند و محصولات متنوعی را ایجاد میکنند. این روش به طور گستردهای جهت سنتز نانوذرات پلاتینی با اندازهی همگن به کار میرود. در این روش ابتدا محلولی همگن به وسیله ی حل سازی ماده اولیه آلی_فلزی در یک حلال آلی با قابلیت اختلاط و حل پذیری در آب آماده می شود. سپس محلول همگن به سل با استفاده از عامل مناسب مثل آب خالص یا آب حاوی موادی نظیر هیدروکلریک اسید تبدیل و با استفاده از واکنش های پلیمریزاسیون سل به ژل تبدیل می گردد. در مرحله آخر ژل خشک می گردد و برای تولید نانوذرات ژل در دستگاه سانتریوفیوژ قرار می گیرد.[15]
4
سونوشیمی
روش دیگر سنتز این نانوذرات، نانوشیمی است که در آن برای انجام یا تسریع واکنش های شیمیایی از امواج ماوراء صوت استفاد می شود. هنگامی که یک سیال در معرض این امواج با شدت بالا قرار می گیرد، تعداد زیادی حباب در آن ها تشکیل می شود که در صورت رسیدن به اندازه بحرانی فرو می پاشند و در آن ها مناطقی با دما و فشار بالا تشکیل می شود. پایداری این مناطق در حد نانوثانیه است و سرعت سرمایش نیز در این مواضع بالاست که شرایط لازم برای تولید نانوذرات را فراهم می کند. به همین علت واکنش های شیمیایی لازم برای تولید نانوذرات معمولا در فصل مشترک حباب-سیال انجام می شود. در این فرآیند افزودنی هایی به محلول اضافه می گردد تا کشش سطحی را کاهش داده و مانع چسبیدن ذرات و آگلومره شدن آن ها شود. سرعت احیا و تشکیل نانوذرات به غلظت عامل سطحی بستگی دارد و با افزایش غلظت، افزایش یافته و بعد از رسیدن به حد بحرانی با افزایش غلظت، نرخ احیا کاهش می یابد.[16] همچنین کنترل سرعت احیا روی اندازه و شکل نانوذرات تاثیر بسیاری دارد.[17] لورا آبرجا و همکارانش در روشی با احیای محلول آبی (10-4) H 2PtCl6 شامل پلیمر پوششی که با الکل به نسبت 1:1 مخلوط شده بودند (متانول، اتانول، پروپانول) در یک ظرف سونیکاتور21 با فرکانس 20کیلوهرتز و قدرت صوتی 50وات به مدت 30 دقیقه در دمای25 درجه سانتی گراد نانوذرات پلاتین را سنتز کردند. اندازه نانوذرات به دست آمده در حدود 3 نانومتر بودند.[5]
میکروامولسیون
میکروامولسیون ها فازهای تعادلی شامل مایعات غیرقابل استخراج نظیر روغن و آب می باشند که به وسیله لایه های نازک حاصل از سورفکتانت پایدار می شوند. ساختار میکروامولسیون ها به عنوان میکروراکتورهای پلیمریزاسیون عمل می کنند. اندازه ذره و آگلومره شدن به نوع سیستم میکروامولسیون و ترکیب آن بستگی دارد.[18] در سال 1982 گروه بوتونت برای اولین بار روشی را برای تهیه نانوذرات پلاتین با میکروامولسیون آب در روغن استفاده کردند که در این روش نانوذرات فلز در مایسل های معکوس حل شده و عامل احیا را مستقیما به سیستم میکروامولسیون اضافه کردند.[6] پال و همکارانش با احیای H2PtCl6 با استفاده از سدیم بوروهیدرید در میکروامولسیون آب در روغن در دمای25 درجه سانتیگراد، نانوذرات پلاتین غیر کروی با اندازه ای کمتر از 5 نانومتر سنتز کردند. سیستم میکروامولسیون شامل TritonX-100، سیکلوهگزان، آب و 1-hexanol بود. شکل2 تصویر TEM نانوذرات حاصل از این روش را نشان می دهد.[7]
