Light-driven Pickering interfacial catalysis for the oxidation of alkenes at near-room temperature
Résumé
Owing to localized surface plasmon resonance, Au nanoparticles (NPs) can absorb light to generate hot electrons and cause local heating by hyperthermia. It allows efficient light-to-energy conversion and energy transfer to the local NPs microenvironment. Among noble metals, Au NPs are most commonly used as plasmonic materials and catalysts due to their low reactivity, easy fabrication and facile application in targeted therapies driven by local heating.
Herein, we have developed a light-driven catalytic system based on a Pickering emulsion affording the oxidation of olefins at mild temperature. The system makes use of the colloidal tectonics approach to prepare emulsions, encompassing the interfacial self-assembly of two surface-active particles with complementary hydrophilic/hydrophobic groups (tectons). The system combines silica NPs grafted with alkyl chains and Au NPs, acting as a heater/plasmon activator, and dodecyltrimethylammonium phosphotungstate NPs, [C12]3[PW12O40], acting as the catalyst. The physicochemical properties, stability and interfacial plasmonic properties of dual-NP stabilized emulsions were studied to assess interaction between NPs at the water/oil interface. The catalytic performance of the system was assessed for the cyclooctene oxidation using H2O2 as oxidant under UV light irradiation, and further extended to a panel of alkenes.
The dual-NP system exhibits a 5-fold increase of activity compared to the thermal reaction, and can be recycled and reused for at least five consecutive catalytic runs. The concept presented in this study, although in its infancy, opens an avenue for engineering multiphase catalytic photoreactors with a potential energy saving of 74 % at isoconversion compared to conventional thermal reactors.
Grâce à la résonance plasmonique de surface localisée, les nanoparticules (NP) d'or peuvent absorber la lumière pour générer des électrons chauds et provoquer un chauffage local par hyperthermie. Cela permet une conversion efficace de la lumière en énergie et un transfert d'énergie vers le microenvironnement local des NP. Parmi les métaux nobles, les nanoparticules d'or sont le plus souvent utilisées comme matériaux plasmoniques et catalyseurs en raison de leur faible réactivité, de leur facilité de fabrication et de leur application aisée dans les thérapies ciblées basées sur le chauffage local.
Nous avons mis au point un système catalytique piloté par la lumière et basé sur une émulsion de Pickering permettant l'oxydation des oléfines à basse température. Le système utilise l'approche de la tectonique colloïdale pour préparer des émulsions, comprenant l'auto-assemblage interfacial de deux particules tensioactives avec des groupes hydrophiles/hydrophobes complémentaires (tectons). Le système combine des nanoparticules de silice greffées avec des chaînes d'alkyle et des nanoparticules d'or, agissant comme chauffage/activateur de plasmons, et des nanoparticules de phosphotungstate de dodécyltriméthylammonium, [C12]3[PW12O40], jouant le rôle de catalyseur. Les propriétés physicochimiques, la stabilité et les propriétés plasmoniques interfaciales des émulsions stabilisées à double NP ont été étudiées pour évaluer l'interaction entre les NP à l'interface eau/huile. Les performances catalytiques du système ont été évaluées pour l'oxydation du cyclooctène en utilisant H2O2 comme oxydant sous irradiation de lumière UV, et ont été étendues à un panel d'alcènes.
Le système double NP présente une activité 5 fois supérieure à celle de la réaction thermique et peut être recyclé et réutilisé pour au moins cinq cycles catalytiques consécutifs. Le concept présenté dans cette étude, bien qu'il n'en soit qu'à ses débuts, ouvre une voie pour l'ingénierie des photoréacteurs catalytiques multiphases avec une économie d'énergie potentielle de 74 % à l'isoconversion par rapport aux réacteurs thermiques conventionnels.