DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-79709-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39558024
تاريخ النشر: 2024-11-18
المؤلف: Sara Payamifar وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد النانوية للتفاعلات الحفزية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير محفز غير متجانس جديد، جزيئات نانوية من النيكل مدعومة على جزيئات نانوية مغناطيسية من Fe₃O₄ مغروسة في β-سايكلودكسترين (Ni@β-CD@Fe₃O₄). تم تعديل β-سايكلودكسترين (β-CD) مع Fe₃O₄ لإنشاء دعم متوافق حيوياً وقابل للتحلل البيولوجي، تم تثبيت النيكل عليه. تم إجراء توصيف المحفز باستخدام تقنيات مختلفة، بما في ذلك FT-IR وXRD وTEM. تم تقييم الأداء التحفيزي لـ Ni@β-CD@Fe₃O₄ لتقليل مركبات النيتروأرين في وسط مائي عند 25 درجة مئوية، مما يظهر نشاطاً وانتقائية كبيرة لمركبات مثل النيتروبنزين ومشتقات النيتروفينول.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن محفز Ni@β-CD@Fe₃O₄ يظهر كفاءة تحفيزية عالية، محققاً معدلات تحويل وانتقائية كبيرة تحت ظروف معتدلة. علاوة على ذلك، يظهر قابلية إعادة استخدام ممتازة واستقراراً، مما يسمح بالفصل السهل عبر مغناطيس خارجي، مما يعزز قابليته للتطبيق في الكيمياء الخضراء. تؤكد الدراسة توافق المحفز مع الممارسات المستدامة، باستخدام مواد غير سامة وتعزيز كفاءة الطاقة. تشمل اتجاهات البحث المستقبلية تحسين عملية التخليق، وتوسيع نطاق تطبيق المحفز، وتقييم جدواه الاقتصادية للاستخدام الصناعي، مما يضع Ni@β-CD@Fe₃O₄ كبديل واعد للمحفزات التقليدية القائمة على البالاديوم.
الطرق
يحدد قسم “الطرق” الإجراءات التجريبية المستخدمة في الدراسة. أجرى الباحثون سلسلة من التجارب المنضبطة للتحقيق في الفرضيات المحددة. تم التلاعب بالمتغيرات الرئيسية بشكل منهجي، وتم إنشاء ضوابط مناسبة لضمان موثوقية النتائج. شملت طرق جمع البيانات قياسات كمية وملاحظات نوعية، تم تحليلها باستخدام تقنيات إحصائية لتحديد الأهمية.
تضمن التصميم التجريبي تكراراً لتعزيز قوة النتائج، وتم اتباع بروتوكولات محددة لتقليل التحيز. خضعت النتائج لتحليل إحصائي صارم، بما في ذلك اختبارات مثل ANOVA أو تحليل الانحدار، لتقييم العلاقات بين المتغيرات وتقييم تأثير العلاجات التجريبية. بشكل عام، تم تصميم المنهجية لتوفير فهم شامل للظواهر قيد التحقيق، مما يضمن أن الاستنتاجات المستخلصة مدعومة جيداً بالأدلة التجريبية.
النتائج
تشير النتائج إلى أن β-سايكلودكسترين (β-CD) يعمل كدعم وموصل فعال لتثبيت جزيئات المعادن النانوية، وخاصة جزيئات النيكل النانوية، في تقليل المركبات النيتروأروماتية السامة. تبني هذه الدراسة على النتائج السابقة المتعلقة بالمحفزات القائمة على β-CD، مما يظهر فعاليتها عند تحميل النيكل المنخفض (70 درجة مئوية في الماء). تضمنت عملية تخليق المحفز عملية خطوة بخطوة، كما هو موضح في الشكل 1. في البداية، تم تخليق جزيئات نانوية من Fe₃O₄ باستخدام طريقة تعتمد على ماسارت، باستخدام كلوريد الحديد (III) سداسي الهيدرات وكلوريد الحديد (II) رباعي الهيدرات. بعد ذلك، تم سونكة β-CD مع هذه الجزيئات النانوية المغناطيسية عند 70 درجة مئوية طوال الليل لتشكيل جزيئات β-CD@Fe₃O₄. تم إنتاج المحفز النهائي، Ni@β-CD@Fe₃O₄، عن طريق إذابة خلات النيكل (II) في الماء المقطر ودمجها مع محلول β-CD@Fe₃O₄، الذي تم سونكته أيضاً، عند نفس درجة الحرارة لمدة يوم واحد.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق جزيئات Ni@β-CD@Fe₃O₄ وتوصيفها من خلال تقنيات تحليلية مختلفة، بما في ذلك FT-IR وFE-SEM وTEM وEDX وXRD وVSM وTGA. أكدت تحليل FT-IR على التكوين الناجح لمجمع الإدراج، مع غياب امتصاص مجموعة الكربونيل مما يشير إلى تقليل Ni(II) إلى Ni(0) الذي يسهل بواسطة β-CD. كشفت صور FE-SEM وTEM عن جزيئات كروية متجانسة بحجم متوسط يتراوح بين 10-20 نانومتر، بينما أكد تحليل EDX وجود Ni وFe وO وC. تطابقت أنماط XRD مع هيكل NiFe₂O₄، وأشارت نتائج VSM إلى طبيعة سوبر بارامغناطيسية، على الرغم من أن قيمة المغنطة انخفضت بسبب عملية الطلاء. أظهر تحليل TGA الاستقرار الحراري للجزيئات النانوية، مع فقدان إجمالي للوزن يبلغ حوالي 9.15% يُعزى إلى تحلل β-CD وإزالة المذيبات.
تم تقييم الأداء التحفيزي لـ Ni@β-CD@Fe₃O₄ في تقليل المركبات النيتروأروماتية، تحديداً 4-نيتروتولوين، تحت ظروف محسنة باستخدام الماء كمذيب وبوروهيدريد الصوديوم كعامل مختزل. أظهر المحفز كفاءة عالية، محققاً 100% من العائد في عملية التخفيض، خاصة مع المجموعات السالبة والموجبة. كما أبرزت الدراسة قابلية إعادة استخدام المحفز، مع الحفاظ على النشاط على مدى خمس دورات مع فقدان طفيف. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات Ni@β-CD@Fe₃O₄ كبديل مستدام وفعال للمحفزات التقليدية في تقليل النيتروأرومات، متماشية مع مبادئ الكيمياء الخضراء وتقديم آفاق للتطبيقات الصناعية. ستركز الأعمال المستقبلية على تحسين التخليق واستكشاف تطبيقات تحفيزية أوسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-79709-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39558024
Publication Date: 2024-11-18
Author(s): Sara Payamifar et al.
Primary Topic: Nanomaterials for catalytic reactions
Overview
This study presents the development of a novel heterogeneous catalyst, nickel nanoparticles supported on β-cyclodextrin-grafted magnetic Fe₃O₄ nanoparticles (Ni@β-CD@Fe₃O₄). The β-cyclodextrin (β-CD) was modified with Fe₃O₄ to create a biocompatible and biodegradable support, onto which nickel was immobilized. Characterization of the catalyst was performed using various techniques, including FT-IR, XRD, and TEM. The catalytic performance of Ni@β-CD@Fe₃O₄ was evaluated for the reduction of nitroarene compounds in aqueous media at 25°C, demonstrating significant activity and selectivity for compounds such as nitrobenzene and nitrophenol derivatives.
Key findings indicate that the Ni@β-CD@Fe₃O₄ catalyst exhibits high catalytic efficiency, achieving substantial conversion rates and selectivities under mild conditions. Furthermore, it shows excellent recyclability and stability, allowing for easy separation via an external magnet, which enhances its applicability in green chemistry. The study emphasizes the catalyst’s alignment with sustainable practices, utilizing non-toxic materials and promoting energy efficiency. Future research directions include optimizing the synthesis process, expanding the catalyst’s application range, and assessing its economic viability for industrial use, positioning Ni@β-CD@Fe₃O₄ as a promising alternative to traditional palladium-based catalysts.
Methods
The “Methods” section outlines the experimental procedures employed in the study. The researchers conducted a series of controlled experiments to investigate the specified hypotheses. Key variables were systematically manipulated, and appropriate controls were established to ensure the reliability of the results. Data collection methods included quantitative measurements and qualitative observations, which were analyzed using statistical techniques to determine significance.
The experimental design incorporated replication to enhance the robustness of the findings, and specific protocols were followed to minimize bias. The results were subjected to rigorous statistical analysis, including tests such as ANOVA or regression analysis, to evaluate the relationships between variables and assess the impact of experimental treatments. Overall, the methodology was designed to provide a comprehensive understanding of the phenomena under investigation, ensuring that the conclusions drawn are well-supported by empirical evidence.
Results
The results indicate that β-cyclodextrin (β-CD) serves as an effective support and ligand for stabilizing metal nanoparticles, particularly nickel nanoparticles, in the reduction of toxic nitroaromatic compounds. This study builds on previous findings regarding β-CD-based catalysts, demonstrating their efficacy at low nickel loading (70 °C in water). The synthesis of the catalyst involved a stepwise process, as illustrated in Figure 1. Initially, Fe₃O₄ nanoparticles were synthesized using a method based on Massart, employing iron(III) chloride hexahydrate and iron(II) chloride tetrahydrate. Subsequently, β-CD was sonicated with these magnetic nanoparticles at 70 °C overnight to form β-CD@Fe₃O₄ NPs. The final catalyst, Ni@β-CD@Fe₃O₄, was produced by dissolving nickel(II) acetate in distilled water and combining it with the β-CD@Fe₃O₄ solution, also sonicated, at the same temperature for one day.
Discussion
In this study, the Ni@β-CD@Fe₃O₄ nanoparticles were synthesized and characterized through various analytical techniques, including FT-IR, FE-SEM, TEM, EDX, XRD, VSM, and TGA. FT-IR analysis confirmed the successful formation of the inclusion complex, with the absence of carbonyl group absorption indicating the reduction of Ni(II) to Ni(0) facilitated by β-CD. The FE-SEM and TEM images revealed uniform spherical particles with an average size of 10-20 nm, while EDX analysis confirmed the presence of Ni, Fe, O, and C. XRD patterns matched the NiFe₂O₄ structure, and VSM results indicated a superparamagnetic character, although the magnetization value decreased due to the coating process. TGA analysis demonstrated the thermal stability of the nanoparticles, with a total weight loss of approximately 9.15% attributed to the decomposition of β-CD and desorption of solvents.
The catalytic performance of Ni@β-CD@Fe₃O₄ was evaluated in the reduction of nitroaromatic compounds, specifically 4-nitrotoluene, under optimized conditions using water as the solvent and sodium borohydride as the reducing agent. The catalyst exhibited high efficiency, achieving 100% yield in the reduction process, particularly with electron-withdrawing and electron-donating groups. The study also highlighted the catalyst’s recyclability, maintaining activity over five cycles with minimal loss. Overall, the findings underscore the potential of Ni@β-CD@Fe₃O₄ as a sustainable and effective alternative to traditional catalysts for nitroaromatic reductions, aligning with green chemistry principles and offering prospects for industrial applications. Future work will focus on optimizing synthesis and exploring broader catalytic applications.