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Óxido de praseodimio (III, IV)

El óxido de praseodimio (III, IV) es el compuesto inorgánico de fórmula Pr 6 O 11 que es insoluble en agua. [2] Tiene una estructura de fluorita cúbica . [3] Es la forma más estable de óxido de praseodimio a temperatura y presión ambiente . [4]

Propiedades y estructura

Pr 6 O 11 adopta una estructura cristalina de fluorita cúbica , medida mediante métodos XRD , TEM y SEM . [3] [5] Puede considerarse una forma deficiente de oxígeno de óxido de praseodimio (IV) ( PrO 2 ), estando los iones Pr en un estado de valencia mixto Pr (III) y Pr (IV). [5] Esta característica es la que confiere al óxido sus numerosas propiedades útiles para su actividad catalítica .

Síntesis

Las nanopartículas de óxido de praseodimio generalmente se producen mediante métodos de estado sólido como la termólisis, el método de sales fundidas, la calcinación o la precipitación . [3] [4] [6] Sin embargo, prácticamente todos los procesos contienen un paso de calcinación para obtener nanopartículas cristalinas de Pr 6 O 11 .

Calcinación

Normalmente, el nitrato de praseodimio Pr(NO 3 ) 3 ·6H 2 O [3] [5] o el hidróxido de praseodimio Pr(OH) 3 [7] se calienta a altas temperaturas (generalmente por encima de 500 °C) bajo aire para obtener praseodimio(III). ,IV) óxido. Aunque es menos común, en la literatura química también se ha informado sobre la síntesis a partir de otros precursores orgánicos como el acetato de praseodimio, el oxalato [8] y el malonato [9] .

Las propiedades físicas de las nanopartículas preparadas, como la forma de las partículas o los parámetros de la red, dependen en gran medida de las condiciones de calcinación, como la temperatura o la duración, así como de los diferentes métodos de preparación ( calcinación , sol-gel , precipitación , por ejemplo). Como resultado, se han explorado muchas rutas de síntesis para obtener la morfología precisa deseada. [3] [4] [5]

Usos

El óxido de praseodimio (III, IV) tiene varias aplicaciones potenciales en catálisis química y, a menudo, se usa junto con un promotor como el sodio o el oro para mejorar su rendimiento catalítico. Tiene una constante dieléctrica K alta, de alrededor de 30, y corrientes de fuga muy bajas [10], lo que también lo ha convertido en un material prometedor para muchas aplicaciones potenciales en nanodispositivos y microelectrónica. [6]

Acoplamiento oxidativo del metano.

El óxido de praseodimio (III, IV) promovido por sodio o litio muestra una buena tasa de conversión de metano con una buena selectividad hacia el etano y el eteno en contraposición a subproductos no deseados como el dióxido de carbono . [11] [12] Si bien el mecanismo preciso para esta reacción aún está en debate, se ha propuesto que, típicamente, el metano se activa a un radical metilo por el oxígeno en la superficie del catalizador que se combina para formar etano. Luego, el eteno se forma por reducción del etano, ya sea mediante el catalizador o de forma espontánea. Los múltiples estados de oxidación de Pr (III) y Pr (IV) permiten una rápida regeneración de las especies catalíticas activas que involucran un anión peróxido O.2-2. [11]

Esta reacción es de particular interés ya que permite la conversión de abundante gas metano (que compone hasta el 60% del gas natural ) [11] [12] en hidrocarburos de orden superior , que proporcionan más aplicaciones. Como resultado, el acoplamiento oxidativo de metano es un proceso económicamente deseable.

oxidación de CO

En el mecanismo propuesto para la oxidación catalizada por Pr 6 O 11 de CO a CO 2 , el CO primero se une a la superficie del catalizador para crear un carbonato bidentado y luego se convierte en una especie de carbonato monodentado que puede descomponerse como CO 2 , completando el ciclo del catalizador. La conversión de un carbonato bidentado a una especie monodentada deja una vacante de oxígeno en la superficie del catalizador que puede llenarse rápidamente debido a la alta movilidad del oxígeno derivada de los estados de oxidación mixtos de los centros de Pr. Este mecanismo propuesto se presenta esquemáticamente a continuación, adaptado de Borchert, et al. [5]

Mecanismo de oxidación de CO catalizado por óxido de praseodimio
Mecanismo de oxidación de CO catalizado por óxido de praseodimio

La adición de promotores de oro al catalizador puede reducir significativamente la temperatura de reacción de 550 °C a 140 °C, pero el mecanismo aún está por descubrirse. Se cree que existe un cierto efecto sinérgico entre las especies de óxido de oro y praseodimio (III, IV). [13]

El interés de la oxidación de CO radica en su capacidad para convertir el gas CO tóxico en CO 2 no tóxico y tiene aplicaciones en los gases de escape de los automóviles, por ejemplo, que emiten CO. [14]

Pr 6 O 11 también se utiliza junto con otros aditivos como sílice o circonio para producir pigmentos para uso en cerámica y vidrio [15]

Referencias

  1. ^ ab "Nanopartículas de óxido de praseodimio (Pr6O11): propiedades, aplicaciones". AZoNano.com . 2013-04-17 . Consultado el 15 de marzo de 2018 .
  2. ^ "Óxido de praseodimio (Pr6O11)". www.reade.com . Consultado el 15 de marzo de 2018 .
  3. ^ abcde Matović, Branko; Pantić, Jelena; Prekajski, Marija; Stanković, Nadežda; Bučevac, Dušan; Minović, Tamara; Čebela, María (2013). "Síntesis y caracterización de nanopolvos de Pr6O11". Cerámica Internacional . 39 (3): 3151–3155. doi :10.1016/j.ceramint.2012.09.098.
  4. ^ abc Zinatloo-Ajabshir, Sahar; Salavati-Niasari, Masoud (2015). "Nueva síntesis asistida por poli (etilenglicol) de nanoestructuras de óxido de praseodimio a través de una ruta de precipitación fácil". Cerámica Internacional . 41 (1): 567–575. doi :10.1016/j.ceramint.2014.08.105.
  5. ^ abcde Borchert, Yulia; Sonstrom, Patrick; Guillermo, Michaela; Borchert, Holger; Bäumer, Marcus (2008). "Óxido de praseodimio nanoestructurado: preparación, estructura y propiedades catalíticas". La Revista de Química Física C. 112 (8): 3054–3063. doi : 10.1021/jp0768524. ISSN  1932-7447.
  6. ^ ab Shamshi Hassan, M., Shaheer Akhtar, M., Shim, KB. et al. Propiedades morfológicas y electroquímicas de las nanobarras cristalinas de óxido de praseodimio. Nanoescala Res Lett 5, 735 (2010). https://doi.org/10.1007/s11671-010-9547-8
  7. ^ Mamá, Lin; Chen, Weixiang; Zhao, Jie; Zheng, Yifeng; Li, Xiang; Xu, Zhude (2007). "Síntesis asistida por microondas de nanobarras de hidróxido de praseodimio y conversión térmica en nanobarras de óxido". Cartas de Materiales . 61 (8–9): 1711–1714. doi :10.1016/j.matlet.2006.07.116.
  8. ^ Hussein, Gamal AM (1994). "Formación de óxido de praseodimio a partir de la descomposición térmica de acetato y oxalato de praseodimio hidratado". Revista de pirólisis analítica y aplicada . 29 (1): 89-102. doi :10.1016/0165-2370(93)00782-i.
  9. ^ Muraishi, Kazuo; Yokobayashi, Hiroko; Nagase, Kenzo (1991). "Sistemática de las reacciones térmicas de malonatos de lantánidos Ln 2 (C 3 H 2 O 4 ) 3 * nH 2 O en estado sólido". Acta Termoquímica . 182 (2): 209–217. doi :10.1016/0040-6031(91)80006-5.
  10. ^ Osten HJ, Liu JP, P Gaworzewski, E Bugiel, Zaumseil P: IEDM Technical Digest 653. 2000.
  11. ^ a b C GAFFNEY, A (1988). "El acoplamiento oxidativo de metano sobre óxido de praseodimio promovido por sodio". Revista de Catálisis . 114 (2): 422–432. doi :10.1016/0021-9517(88)90045-0.
  12. ^ ab Poirier, Michel G.; Bréault, Raymond; Kaliaguine, Serge; Adnot, Alain (1991). "Acoplamiento oxidativo de metano sobre catalizadores de óxido de praseodimio". Catálisis Aplicada . 71 (1): 103–122. doi :10.1016/0166-9834(91)85009-k.
  13. ^ Huang, PX; Wu, F.; Zhu, BL; Li, GR; Wang, YL; Gao, XP; Zhu, HY; Yan, TY; Huang, WP (1 de febrero de 2006). "Nanobarras de hidróxido y óxido de praseodimio y catalizadores de nanobarras de Au / Pr6O11 para la oxidación de CO". La Revista de Química Física B. 110 (4): 1614-1620. doi :10.1021/jp055622r. ISSN  1520-6106. PMID  16471724.
  14. ^ Kim, Il Hee; Seo, Hyun Ook; Parque, Eun Ji; Han, Sang Wook; Kim, joven Dok (16 de enero de 2017). "Oxidación de CO a baja temperatura sobre nanopartículas de óxido de hierro que decoran estructuras internas de una alúmina mesoporosa". Informes científicos . 7 : 40497. Código Bib : 2017NatSR...740497K. doi :10.1038/srep40497. ISSN  2045-2322. PMC 5238452 . PMID  28091561. 
  15. ^ Kar, JK; Stevens, R.; Bowen, CR (2005). "Procesamiento y caracterización de polvo de pigmento Pr-circón". Avances en Cerámica Aplicada . 104 (5): 233–238. Código Bib : 2005AdApC.104..233K. doi :10.1179/174367605X16699. S2CID  55057492.