Mechanokémiai úton előállított egyfémes (Cu, Ni), kétfémes (Cu/Sn, Ni/Sn) és háromfémes (Cu/Ni/Sn) nanorészecskék szerkezetét befolyásoló tényezők és néhány katalitikus alkalmazásuk
The properties of the atoms residing on the surface of a nanoparticle are much closer to those of the free atoms than to those of the bulk. The effects of nano-size are manifested in a variety of ways including the optical, electrical, mechanical, chemical, physico-chemical and magnetic properties,...
Elmentve itt :
| Szerző: | |
|---|---|
| További közreműködők: | |
| Dokumentumtípus: | Disszertáció |
| Megjelent: |
2020-10-12
|
| Kulcsszavak: | mechanokémia, egy- és többfémes nanorészecskék, katalízis |
| Tárgyszavak: | |
| doi: | 10.14232/phd.10596 |
| mtmt: | 31958247 |
| Online Access: | http://doktori.ek.szte.hu/10596 |
| Tartalmi kivonat: | The properties of the atoms residing on the surface of a nanoparticle are much closer to those of the free atoms than to those of the bulk. The effects of nano-size are manifested in a variety of ways including the optical, electrical, mechanical, chemical, physico-chemical and magnetic properties, among others. In principle, there are two well-known, fundamentally different ways to prepare a nanoparticle: the top-down and the bottom-up methods. The first so-called top-down method includes the transformation of the larger size bulk starting material to nano-sized objects via mechanical, chemical or physical means, while the bottom-up approach commences from the atomic level. Mechanochemistry is usually classified as a top-down technique, but there are bottom-up ways of using it as well. Mechanochemistry embraces all the processes, which are initiated via mechanical energy input resulting in the desired chemical and/or physico-chemical transformations. This may take place through transforming a given precursor with mechanical energy into a new compound or via changing the structure of the starting material with mechanical activation. Shearing, pressing and grinding are typical mechanochemical approaches. Mills of various types are the most commonly used pieces of mechanochemical equipment. Large variety of them are employed in the industrial practice, therefore mechanochemical syntheses fine-tuned in the laboratory can be scaled up to industrial scale mass production more readily than other synthesis methods. Clearly, this is one of the main advantages of performing syntheses by using mechanochemistry. Metallic nanoparticles are routinely used in a large variety of heterogeneous catalytic applications. These are remarkably environmentally friendly, since the catalyst and the reaction mixture reside in different phases. Therefore, the catalyst can readily be separated from the reaction mixture and can be reused. There are, however, a large number of other potential applications associated with metallic nanoparticles including the future substitution of fossil energy sources, handling of global warming and controlling green-house gases. Clearly, the academic world as well as the environmentally aware part of the public has great expectations regarding the progress of the ongoing research of metallic nanoparticles. During my PhD thesis work, the main task was the mechanochemical preparation of mono- (Cu, Ni), bi- (Cu/Sn and Ni/Sn) trimetallic (Cu/Ni/Sn) nanoparticles using a ball mill. The aim of the research was to establish, how the instrumental parameters (milling frequency, milling time, effect of the quality and quantity of additives, etc.) used during the syntheses of the nanoparticles affect the quality (structure, morphology, size) of the products. This way we attempted to optimize the experimental conditions on one end, and to work out the control of the parameters to synthesize nanoparticles with predictable size, composition and structure on the other. Therefore, we embarked on an experimental program, during which the instrumental parameters in the syntheses were systematically varied, and their effect on the structure of the nanoparticles obtained was scrutinized. We also attempted to establish the effect of the quality and quantity of various additives on the products obtained, via using a set ensemble of previously optimized instrumental parameters. The effects of synthesis parameters on the aggregation of the nanoparticles were also looked at. The catalytic performance of selected nanoparticle preparations were applied in Ullmann-type and Suzuki-Miyaura coupling reactions. A nanoszerkezetű anyagok felületén elhelyezkedő atomok tulajdonságai sokkal közelebb állnak a szabad atomokéihoz, mint a tömbi fázisban lévőkéhez. A nanoméret hatásai megmutatkoznak az anyag optikai, elektromos, mechanikai, kémiai, fiziko-kémiai, termikus és mágneses tulajdonságaiban. A nanoszerkezetű anyagok tervezett előállítása elvben kétféle módon történhet. Ezek a top-down (fentről-lefelé) és a bottom-up (lentről-felfelé) közelítés. A top-down típusú előállítások esetében a nagyméretű, tömbi fázisú kiindulási anyagot valamilyen mechanikai, kémiai vagy fizikai módszer alkalmazásával nanoméretű objektumokká alakítjuk át, a bottom-up esetben atomi szintről kezdjük el az építkezést. Az általában top-down módszerek közé sorolható mechanokémia elvben mindkét megközelítésre lehetőséget ad. A mechanokémia tárgykörébe tartozik minden olyan folyamat, amelynek során mechanikai energia közlésével érjük el a kívánt kémiai és/vagy fizikai-kémiai változást. Ez történhet úgy, hogy prekurzorokból mechanikai energiaközlés segítségével új anyagokat állítunk elő, vagy már meglévő anyagok szerkezetét módosítjuk mechanikai aktiválás segítségével, és így állítunk elő új termékeket. A mechanokémiai folyamatok tipikus módszerei a nyírás, az összenyomás és az őrlés. A legalkalmasabb és leggyakrabban alkalmazott berendezések a különböző típusú malmok. Ebben rejlik az egyik nagy előnye is ezeknek a szintézismódszereknek, mivel a malmok az iparban is használatos eszközök, így a nanoszerkezetek ilyen módon történő előállítása könnyebben átültethető az ipari gyakorlatba. A fém nanorészecskék egyik leggyakoribb alkalmazási területe a heterogén katalízis, ami a környezetkímélő technikák már bizonyított útja, hiszen a katalizátor és a reakcióelegy külön fázisban található, így a katalizátor egyszerűen visszanyerhető, és akár többször is felhasználható. A tudományos világ és az egyre környezettudatosabbá váló közvélemény nagy várokozással tekint a fém nanorészecskék kutatásának fejleményeire további területeken is, mint például a fosszilis energiahordozók kiváltása, a globális felmelegedés kezelése, az üvegházhatást eredményező gázok kontrollja, és a sort még hosszan folytathatnánk. Doktori munkám során elsődleges feladatom az volt, hogy egy- (Cu és Ni) és többfémes (Cu/Sn, Ni/Sn kétfémes és Cu/Ni/Sn háromfémes) nanorészecskéket állítsak elő egy oldószerszegény, így környezetbarát módszerrel, az őrléssel. Célunk elsősorban az volt, hogy feltárjuk a szintézis során alkalmazott paraméterek (őrlési frekvencia, őrlési idő, adalékanyagok minősége és mennyisége) hatását a képződő őrlemények minőségére (szerkezetére, morfológiájára, a részecskék méretére), hogy megállapítsuk az optimális kísérleti körülményeket, előre megjósolható méretű, összetételű és szerkezetű nanorészecskék előállítására. Munkánk során egyrészről megvizsgáltuk a kísérleti paraméterek szisztematikus változtatásával azok hatását a termékek szerkezetére (méret, alak, összetétel), másrészt feltérképeztük különböző adalékanyagok – állandó őrlési paraméterek mellett – minőségének és mennyiségének hatását a képződő termékekre. Összefüggéseket kerestünk a részecskék aggregációja és az alkalmazott szintézisparaméterek között. A kapott egyfémes anyagokat katalizátorként alkalmaztuk Ullmann-típusú és Suzuki-Miyaura kapcsolási reakciókban. |
|---|