Preparation of carbon supported single Pd, Pt and bimetallic Pd-Pt nanoparticles using supercritical CO2 deposition

Abstract

Yüksek yüzey alanlı karbon destekli metal nanoparçacıklar yaygın olarak çok çeşitli reaksiyonlarda katalizör olarak kullanılmaktadır. Bu katalizörler arasında karbon destekli tek metalli paladyum (Pd) ve iki metalli paladyum-platinyum (Pd-Pt) katalizörleri sık olarak kimya endüstrisinde hidrojenasyon reaksiyonlarında kullanılmaktadır. Son yıllarda bu tip katalizörlerin hazırlanmasında süperkritik akışkan depozisyon prosesi artan bir ilgi görmektedir. Bu proses metal sağlayıcılarının superkritik akışkan içerisinde çözülmesi ve karbon desteğin bu solusyona maruz kalmasını gerektirmektedir. Metal sağlayıcının destek üzerine adzorbsiyonundan sonra, organonmetalik yapı kimyasal veya ısısal indirgenmeyle metal formuna dönüştürülür.Bu tezde karbon siyahı (Black Pearl 2000 (BP 2000)) destekli tek metalli Pd ve Pt parçacıklarının süperkritik depozisyon yöntemi kullanılarak hazırlanması araştırılmıştır. Bu yöntem ayrıca karbon destekli iki metalli Pd-Pt nanoparçacıklarının da iki farklı alternatif depozisyon metoduyla hazırlanmasında kullanılmıştır. Bu metodlardan ilki, oncelikle Pt/C katalizörünü hazırlama, bunun üzerine Pd metal sağlayıcının adzorbe olmasını sağlama ve metal sağlayıcıyı indirgeme aşamalarından oluşmaktadır. İkinci metod ise hem Pd hem de Pt metal sağlayıcılarının aynı anda karbon üzerine adsorbe olup, yine eş zamanlı indirgenmelerinden oluşmaktadır. Metal sağlayıcılar olarak Paladyum (II) asetilasetonat (Pd(acac)2) ve dimetil siklooktadiyen platinyum (II) (PtMe2COD) kullanılmıştır. Süperkritik depozisyonun önemli bir aşaması olan metal sağlayıcıların destek üzerine adsorpsiyonunu anlayabilmek için Pd(acac)2 ve PtMe2COD'nin deneysel şartlarda; 20 MPa ve 60 santigrat derecedeki adsorpsiyon izotermleri elde edilmiştir. Yine bu sıcaklık ve basınç değerlerinde Pd(acac)2'nin BP 2000 üzerine adsorpsiyon kinetiğini deneysel datayı sadece 5.6% uyma hatası vererek temsil edebilen bir kütle transfer modeli geliştirişmiştir. Bu geliştirilen model sayesinde desteğin tortuozitesi, partikül büyüklüğü ve izoterm sabitlerinin adsorpsiyon kinetiğine olan etkilerini incelemek mümkün olmuştur. Karbon destek üzerine adsorplanan metal sağlayıcıları indirgemek için süperkritik karbon dioksit içerisinde hidrojenle kimyasal indirgenme yapılmıştır. İndirgenme sıcaklığını ve metal yüklemesini arttırmak Pd partikül büyüklüğünü arttırmıştır. Hazırlanan katalizörlerin TEM sonuçlarından Pd'un karbon destek üzerinde büyüklüğü 3-100 nm arasında değişen parçacıklar halinde düzensiz bir biçimde yayılmış olduğu görülürken Pt'un büyüklüğü 2-4 nm arasında olup, destek üzerinde homojen bir dağılım göstermiştir. Karbon destekli iki metalli Pt-Pd katalizörlerinin TEM resimlerinde ise Pd parçacıklarına kıyasla Pt'nin eklenmesi parçacık dağılımının homojenliğini arttırmış ve partikül büyüklüğünü azaltmıştır. EDS sonuçlarından ikimetalli nanoparçacıkların heterojen bir karışım olarak bulunduğu gözlemlenmişir. Buna gore Pt açısından zengin olan Pt-Pd parçacıklarının büyüklüğü 3-5 nm arasında iken, Pd açısından zengin olan parçacıkların büyüklüğü 10 nm'yi bulmaktadır.Anahtar kelimeler: süperkritik depozisyon, karbon, nanoparçacıklar, platinyum, paladyum, metal sağlayıcılar.

Metal nanoparticles supported on high surface area carbon substrates are used extensively as catalysts for a wide variety of reactions. Among these catalysts, carbon supported single Pd and bimetallic Pd-Pt catalysts are commonly used for hydrogenation reactions in the fine chemical industry. In order to prepare carbon supported catalysts, the supercritical fluid deposition technique has recently been receiving increased attention. This process involves the dissolution of an organometallic precursor (OM) in a supercritical fluid and the exposure of the carbon support to the solution. After adsorption of the precursor onto the support, the metallic precursor is converted to its metal form by chemical or thermal reduction. Although many studies have been conducted in order to prepare supported single metallic nanoparticles so far; there are very few studies regarding the preparation of supported bimetallic nanoparticles by scCO2 deposition in the literature.In this thesis the preparation of carbon black (Black Pearl 2000) supported single Pd and Pt nanoparticles by supercritical CO2 deposition was investigated. The scCO2 depostion was utilized also for the preparation of carbon supported bimetallic Pt-Pd by introduing two different deposition alternatives consisting of the preparation starting from the formation of carbon supported platinum (Pt/C) followed by deposition of Pd precursor and reduction; and the simultaneous adsorption and subsequent reduction of the precursors. Palladium (II) acetylacetonate (Pd(acac)2) and dimethyl (cyclooctadiene) platinum (II) (PtMe2COD) were utilized as metallic precursors. The adsorption isotherms of Pd(acac)2 and PtMe2COD on BP2000 in scCO2 at the experimental conditions; 20 MPa and 60 degrees centigrate was determined in order to understand the correlation between the concentration of the OMs in the supercritical phase and the uptake amount of the OMs on the substrate at the given experimental conditions. A mass transfer model was found to represent the experimental data on the kinetics of adsorption of Pd(acac)2 onto BP2000 in scCO2 fairly well with a fitting error of 5.6 %. With the help of the model obtained, the effect or process parameters like the tortuosity and particle size of support and isotherm constants on the adsorption kinetics was investigated. In order to reduce the OMs adsorbed on the substrate, chemical reduction with H2 in scCO2 was utilized. Increasing reduction temperature and metal loading caused an increase in Pd particle size. From the TEM image, it was seen that the Pd particles were irregularly distributed and the size range of the particles was 3-100 nm, whereas Pt nanoparticles were homogeneously distributed with a size range of 2-4 nm. From the TEM image of the supported bimetallic Pt-Pd nanoparticles, it was found that addition of Pt increased the homogeneity and reduced the particle size on the support compared to single Pd nanoparticles. From the EDS results, it was seen that there was a heterogeneous mixture of the bimetallic nanoparticles. Pt-rich nanoparticles had diameters of between 3-5 nm, whereas Pd-rich nanoparticles were larger with diameters of around 10 nm.Keywords: supercritical deposition, carbon, nanoparticles, platinum, palladium, organometallic.