钯纳米颗粒及其聚合物共轭物的生物合成：用于C-C偶联的绿色催化剂，以及有机污染物的光催化氧化和还原

《Journal of Molecular Structure》：Biosynthesis of Pd Nanoparticles and their Polymeric Conjugates: Green Catalysts for C-C Coupling, and Photocatalytic Oxidation and Reduction of Organic Pollutant

　　

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  使用Convolvulus pluricaulis茎提取物制备的Pd_NPs、CMC@Pd_NPs和CS@Pd_NPs。
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  Pd_NPs、CMC@Pd_NPs和CS@Pd_NPs的粒径分别为6.98纳米、11.89纳米和10.94纳米。
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  Suzuki-Miyaura交叉C-C耦合反应显示出85%的催化效率。
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  这些纳米粒子能够实现77%和80%的染料还原和氧化效果。
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  三硝基苯酚和K?Cr?O?的还原率分别为75%和30%。

引言

绿色化学、纳米技术和催化领域的研发迅速发展，催生了新型的纳米结构催化材料[[1], [2], [3]]。纳米科学是一个多学科领域，由于其在废水处理、电子技术、医学成像、制药、化妆品和催化过程中的广泛应用而受到广泛关注[[4], [5], [6]]。在这些应用中，各种金属和金属氧化物纳米粒子因其高表面积、催化活性、稳定性和电子转移能力而备受关注[[7], [8], [9]]。在所有金属纳米粒子中，Pd_NPs被认为是在受污染水中降解有机污染物方面最有效的纳米材料之一，因此基于Pd的纳米材料研究显得尤为重要且具有价值[[5], [6], [7], [8], [9]]。尽管Pd_NPs有诸多应用，但主要问题不仅在于其高昂的成本，还有各种合成方法非常昂贵[[10]]。这些物理化学过程通常需要使用有害试剂，需要高温，并会产生有毒副产物[[11,12]]。为了解决这些问题，生物合成作为一种替代方法被证明是高效、合适且环保的[[12]]。生物合成的优势在于过程的安全性以及所得纳米粒子的纯净度更高，形态和大小也更容易控制[[13], [14], [15]]。来自植物和藻类的提取物含有黄酮类、生物碱、酚类化合物等植物化学物质，可作为天然还原剂和稳定剂，通过将Pd⁺²还原为Pd⁰离子来制备稳定的Pd_NPs[[16,17]]。利用根、树皮、叶子和果实的提取物制备Pd_NPs是一个相对较新且有前景的研究方向[[17], [18], [19]]。例如，咖啡/茶[20]、香蕉皮[21]、肉桂叶[22]、刺槐胶[23]、Annona squamosa果皮[24]、Anacardium occidentale[25]、Pulicaria glutinosa[26]和黄原胶[27]的提取物已被用于Pd_NPs的合成，所得纳米粒子多为球形，粒径在2至50纳米之间。此外，与CMC和CS等生物聚合物结合的Pd_NPs属于一类新型纳米复合物，具有增强的特性和性能[[28], [29], [30], [31], [32]]。由于CMC和CS价格低廉、环保且易于功能化，同时作为含有羟基(-OH)和羧甲基基团(-CH₂COOH)的天然聚合物，它们可用作还原/封端剂[[28]]。这类聚合物共轭纳米粒子因其低毒性、环保性和高表面结合性能而具有吸引力。从植物提取物中制备的Pd_NPs及其CMC和CS基共轭物在温和的反应条件下对甲基蓝(MB)、结晶紫(CV)、酚红(PR)以及K₂Cr₂O₇和TNP等有机染料表现出良好的催化活性[[33]]。使用H₂O₂辅助氧化和NaBH₄辅助还原方法，这些绿色合成的Pd_NPs及其共轭物能有效催化染料降解，并用于碳-碳偶联反应，这得益于它们的高催化活性、稳定性和可回收性[[34]]。例如，在Suzuki-Miyaura、Sonogashira和Mizoroki-Heck交叉偶联反应中，绿色合成的Pd_NPs及其共轭物在室温下的温和条件下表现出优异的催化活性，如图1所示

因此，在本研究中，我们使用Convolvulus pluricaulis茎提取物温和地制备了Pd_NPs、CMC@Pd_NPs和CS@Pd_NPs，并将其作为偶联反应的催化剂。我们还评估了这些纳米粒子及其共轭物对MB、CV、PR和TNP等染料和酚类化合物的氧化和还原催化性能。

章节片段

实验材料

本研究使用了Convolvulus pluricaulis茎、乙酸钯(II)（98%，Sigma Aldrich）、CS（98.5%，Sisco Research Laboratories.）和乙醇。实验过程中均使用双蒸馏水。

CP茎提取物的采集与制备

CP茎采自印度古吉拉特邦，用研钵捣碎成小块，然后用普通自来水和蒸馏水冲洗以去除表面杂质。

合成与表征的一般考虑

Pd_NPs及CMC@Pd_NPs和CS@Pd_NPs是通过图2和图3所示的绿色工艺，在水相介质中利用CP茎提取物合成的。这些生物活性化合物同时起到了还原剂和封端剂的作用，促进了纳米粒子的形成和稳定[[46]]。提取物中的黄酮类、生物碱和酚类化合物将Pd⁺²离子还原为Pd⁰离子，从而形成了Pd_NPs[[47]]。

结论

本研究成功地利用Convolvulus pluricaulis茎提取物这种天然还原和稳定剂，实现了Pd_NPs及其聚合物基共轭物的绿色合成。本研究的主要科学贡献在于开发了一种多功能Pd基催化平台，其性能可通过聚合物共轭进行调节。催化结果表明，Pd_NPs对结晶紫的催化效果尤为显著

CRediT作者贡献声明

Dhwani Panchal：项目管理。Nima N. Patel：概念设计。Dax Patel：数据整理。Rakesh Kumar Ameta：监督。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢