Synthesis of water-soluble gold-aryl nanoparticles with distinct catalytic performance in the reduction of the environmental pollutant 4-nitrophenol

  1. Ahmad, A.A.L. 1
  2. Panicker, S. 2
  3. Chehimi, M.M. 3
  4. Monge, M. 4
  5. Lopez-De-Luzuriaga, J.M. 4
  6. Mohamed, A.A. 2
  7. Bruce, A.E. 1
  8. Bruce, M.R.M. 1
  1. 1 University of Maine
    info

    University of Maine

    Orono, Estados Unidos

  2. 2 University of Sharjah
    info

    University of Sharjah

    Sarja, Emiratos Árabes Unidos

  3. 3 Institut de Chimie et des Matériaux Paris Est (ICMPE), SPC-UMR 7182 CNRS, Université Paris Est Créteil
  4. 4 Universidad de La Rioja
    info

    Universidad de La Rioja

    Logroño, España

Journal:
Catalysis Science and Technology

ISSN: 2044-4761

Year of publication: 2019

Volume: 9

Number: 21

Pages: 6059-6071

Type: Article

Exportar: RIS
DOI: 10.1039/c9cy01402k SCOPUS: 2-s2.0-85074344759
bar_chart Ver indicadores

Summary

Catalysis under harsh environmental conditions requires robust nanoparticles that can resist leaching of the organic shell and possess significant resistance to aggregation. Robust gold core-carbon shell gold-aryl nanoparticles (AuNPs-COOH) were fabricated by mild reduction of the water-soluble aryldiazonium salt [HOOC-4-C6H4NN]AuCl4, and were fully characterized in solution and solid state. The nanoparticles showed high stability in the presence of 0.01-1.00 M NaCl salt, acidic and basic pH values (1-13) and moderate temperatures (20-90 °C). DFT calculations of the optimized model system Au38-C6H4-COOH show an Au-C (aryl) distance of 2.04 Å, which is related to a binding energy of -59.2 kcal mol-1. The 4-nitrophenol (4-NPh) reduction model was used to study the viability of AuNPs-COOH as a catalyst. Nitrophenols are among the most common organic pollutants in industrial and agricultural wastewaters due to their toxicity, anthropogenic and inhibitory nature. The AuNPs-COOH show high catalytic activity, where the reduction of 80 μM 4-NPh was complete in less than five minutes with a high kapp (2.26 × 10-2 s-1) and a relatively low Ea (25 kJ mol-1) compared to literature values. Catalytic activity decreases with subsequent cycles of the reaction, along with a decrease in intensity and red shift in the LSPR band, and an increase in aggregation of nanoparticles in the TEM following each reaction cycle.

Bibliographic References

  • P. Hu L. Chen X. Kang S. Chen Acc. Chem. Res. 2016 49 2251 2260
  • C. Jia F. Schüth Phys. Chem. Chem. Phys. 2011 13 2457 2487
  • Y. Odarchenko D. J. Martin T. Arnold A. M. Beale Faraday Discuss. 2018 208 243 254
  • B. L. V. Prasad S. I. Stoeva C. M. Sorensen V. Zaikovski K. J. Klabunde J. Am. Chem. Soc. 2003 125 10488 10489
  • H. Huang Y. Xu Q. Feng D. Y. C. Leung Catal. Sci. Technol. 2015 5 2649 2669
  • M. Schlesinger M. Giese L. K. Blusch W. Y. Hamad M. J. MacLachlan Chem. Commun. 2015 51 530 533
  • J. Park M. Seo E. Jang H. Kim J. S. Kim S. Park Nanoscale 2019 11 1837 1846
  • Y. Ishida J. Suzuki I. Akita T. Yonezawa Langmuir 2018 34 10668 10672
  • C. Cao Y. Zhang C. Jiang M. Qi G. Liu ACS Appl. Mater. Interfaces 2017 9 5031 5049
  • T. Overton A. A. Mohamed Inorg. Chem. 2012 51 5500 5502
  • A. A. Mohamed S. N. Neal B. Atallah N. D. AlBab H. A. Alawadhi Y. Pajouhafsar H. E. Abdou B. Workie E. Sahle-Demessie C. Han M. Monge J. M. Lopez-de-Luzuriaga J. H. Reibenspies M. M. Chehimi J. Organomet. Chem. 2018 877 1 11
  • F. Mirkhalaf J. Paprotny D. J. Schiffrin J. Am. Chem. Soc. 2006 128 7400 7401
  • K. Boukerma M. M. Chehimi J. Pinson C. Blomfield Langmuir 2003 19 6333 6335
  • M. M. Chehimi Chaussé N. Karsi J. Pinson F. Podvorica C. Vautrin-Ul Chem. Mater. 2002 14 392 400
  • B. L. Hurley R. L. McCreery J. Electrochem. Soc. 2004 151 252 259
  • W. Chen J. R. Widawsky H. Vázquez S. T. Schneebeli M. S. Hybertsen R. Breslow L. Venkataraman J. Am. Chem. Soc. 2011 133 17160 17163
  • R. R. Arvizo S. Saha E. Wang J. D. Robertson R. Bhattacharya P. Mukherjee Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2013 110 6700 6705
  • E. C. Dreaden A. M. Alkilany X. Huang C. J. Murphy M. A. El-Sayed Chem. Soc. Rev. 2012 41 2740 2779
  • S. M. Silva R. Tavallaie L. Sandiford R. D. Tilley J. J. Gooding Chem. Commun. 2016 52 7528 7540
  • L. Lee W. S. Goh S. Y. Chee L. K. Yik J. Mater. Sci. 2018 53 5183 5193
  • F. Griffin D. Fitzmaurice Langmuir 2007 23 10262 10271
  • Y. Y. Wu N. A. Mashayekhi H. H. Kung Catal. Sci. Technol. 2013 3 2881 2891
  • K. Jlassi S. Zavahir P. Kasaka I. Krupa A. A. Mohamed M. M. Chehimi Energy Convers. Manage. 2018 168 170 177
  • R. G. Chaudhuri S. Paria Chem. Rev. 2012 112 2373 2433
  • S. R. Subashchandrabose M. Megharaj K. Venkateswarlu R. Naidu Environ. Toxicol. Chem. 2012 31 1980 1988
  • D. Wu X. Tao Z. P. Chen J. T. Han W. J. Jia N. Zhu X. Li Z. Wang Y. X. He J. Hazard. Mater. 2016 307 193 201
  • P. Zhao X. Feng D. Huang G. Yang Coord. Chem. Rev. 2015 287 114 136
  • Y. D. Reddy C. V. R. Reddy P. K. Dubey Green Chem. Lett. Rev. 2014 7 24 31
  • T. J. Athersuch D. J. Antoine A. R. Boobis M. Coen A. K. Daly L. Possamai J. K. Nicholson I. D. Wilson Toxicol. Res. 2018 7 347 357
  • S. Wunder Y. Lu M. Albrecht M. Ballauff ACS Catal. 2011 1 908 916
  • Y. Mikami A. Dhakshinamoorthy M. Alvaro H. García Catal. Sci. Technol. 2013 3 58 69
  • T. Aditya A. Pal T. Pal Chem. Commun. 2015 51 9410 9431
  • M. M. Nigra J. Ha A. Katz Catal. Sci. Technol. 2013 3 2976 2983
  • S. A. Orefuwa M. Ravanbakhsh S. N. Neal J. B. King A. A. Mohamed Organometallics 2014 33 439 442
  • O. V. Dolomanov L. J. Bourhis R. J. Gildea J. A. K. Howard H. Puschmann J. Appl. Crystallogr. 2009 42 339 341
  • G. M. Sheldrick Acta Crystallogr., Sect. C: Struct. Chem. 2015 71 3 8
  • J. P. Perdew Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1986 33 8822 8824
  • TURBOMOLE V6.4 2012, a development of University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 1989-2007, TURBOMOLE GmbH, since 2007, available from www.turbomole.com
  • A. Schäfer H. Horn R. Ahlrichs J. Chem. Phys. 1992 97 2571 2577
  • K. Eichkorn F. Weigend O. Treutler R. Ahlrichs Theor. Chem. Acc. 1997 97 119 124
  • A. Klamt G. J. Schüürmann J. Chem. Soc., Perkin Trans. 2 1993 799 805
  • M. K. Hameed I. M. Ahmady H. Alawadhi B. Workie E. Sahle-Demessie C. Han M. M. Chehimi A. A. Mohamed Colloids Surf., A 2018 558 351 358
  • A. Gangula R. Podila M. Ramakrishna L. Karanam C. Janardhana A. M. Rao Langmuir 2011 27 15268 15274
  • A. A. Mohamed Z. Salmi S. A. Dahoumane A. Mekki B. Carbonnier M. M. Chehimi Adv. Colloid Interface Sci. 2015 225 16 36
  • Y. Shiraishi H. Tanaka H. Sakamoto N. Hayashi Y. Kofuji S. Ichikawa T. Hirai Langmuir 2017 33 13797 13804
  • S. N. Neal S. A. Orefuwa A. T. Overton R. J. Staples A. A. Mohamed Inorganics 2013 1 70 84
  • M. Xu W. Qi L. Zhang J. Lai A. Rehman S. Majeed G. Xu Microchim. Acta 2014 181 737 742
  • R. Sardar J. S. Shumaker-Parry Chem. Mater. 2009 21 1167 1169
  • W. Haiss N. T. K. Thanh J. Aveyard D. G. Fernig Anal. Chem. 2007 79 4215 4221
  • T. J. Carney P. Tsakiropoulos J. F. Watts et al. Int. J. Rapid Solidif. 1990 5 189 217
  • I. Bakas G. Yilmaz Z. Ait-Touchente A. Lamouri P. Lang N. Battaglini B. Carbonnier M. M. Chehimi Y. Yagci J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2016 54 3506 3515
  • S. R. Ahmed S. Oh R. Baba H. Zhou S. Hwang J. Lee E. Y. Park Nanoscale Res. Lett. 2016 11 65 75
  • A. Sze D. Erickson L. Ren D. Li J. Colloid Interface Sci. 2003 261 402 410
  • S. Panicker I. M. Ahmady A. M. Almehdi B. Workie E. Sahle-Demessie C. Han M. M. Chehimi A. A. Mohamed Appl. Organomet. Chem. 2019 e4803
  • C. Burns W. U. Spendel S. Puckett G. E. Pacey Talanta 2006 69 873 876
  • F. Li H. Zhang B. Dever X. Li X. C. Le Bioconjugate Chem. 2013 24 1790 1797
  • V. Amendola R. Pilot M. Frasconi O. M. Maragò M. A. Iatì J. Phys.: Condens. Matter 2017 29 203002
  • Q. Tang D. Jiang Chem. Mater. 2016 28 5976 5988
  • W. Andreoni A. Curioni H. Grönbeck Int. J. Quantum Chem. 2000 80 598 608
  • A. Berisha C. Combellas F. Kanoufi P. Decorse N. Oturan J. Médard M. Seydou F. Maurel J. Pinson Langmuir 2017 33 8730 8738
  • M. Rodríguez-Castillo G. Lugo-Preciado D. Laurencin F. Tielens A. van der Lee S. Clément Y. Guari J. M. López-de-Luzuriaga M. Monge F. Remacle D. Richeter Chem.-Eur. J. 2016 22 10446 10458
  • J. Kim D. H. Kim D. W. Kwon H. P. Ha Catal. Sci. Technol. 2018 8 4774 4787
  • P. Hervés M. Pérez-Lorenzo L. M. Liz-Marzán J. Dzubiella Y. Lu M. Ballauff Chem. Soc. Rev. 2012 41 5577 5587
  • A. Fedorczyk J. Ratajczak O. Kuzmych M. Skompska J. Solid State Electrochem. 2015 19 2849 2858
  • R. Fenger E. Fertitta H. Kirmse A. F. Thünemann K. Rademann Phys. Chem. Chem. Phys. 2012 14 9343 9349
  • S. Fountoulaki V. Daikopoulou P. L. Gkizis I. Tamiolakis G. S. Armatas I. N. Lykakis ACS Catal. 2014 4 10 3504 3511
  • S. M. Ansar C. L. Kitchens ACS Catal. 2016 6 5553 5560
  • S. M. Ansar F. S. Ameer W. Hu S. Zou C. U. Pittman, Jr. D. Zhang Nano Lett. 2013 13 1226 1229
  • H. Schmidbaur H. G. Raubenheimer L. Dobrzańska Chem. Soc. Rev. 2014 43 345 380
  • S. Wunder F. Polzer Y. Lu Y. Mei M. Ballauff J. Phys. Chem. C 2010 114 8814 8820
  • X. Zhou W. Xu G. Liu D. Panda P. Chen J. Am. Chem. Soc. 2010 132 138 146
  • Z. D. Pozun S. E. Rodenbusch E. Keller K. Tran W. Tang K. J. Stevenson G. Henkelman J. Phys. Chem. C 2013 117 7598 7604
  • Y. S. Seo E. Ahn J. Park T. Y. Kim J. E. Hong K. Kim Y. Park Y. Park Nanoscale Res. Lett. 2017 12 7 17
  • H. Yamamoto H. Yano H. Kouchi Y. Obora R. Arakawa H. Kawasaki Nanoscale 2012 4 4148 4154
  • P. Guo L. Tang J. Tang G. Zeng B. Huang H. Dong Y. Zhang Y. Zhou Y. Deng L. Ma S. Tan J. Colloid Interface Sci. 2016 469 78 85
  • S. Gatard L. Salmon C. Deraedt J. Ruiz D. Astruc S. Bouquillon Eur. J. Inorg. Chem. 2014 16 2671 2677
  • C. Xiao S. Chen L. Zhang S. Zhou W. Wu Chem. Commun. 2012 48 11751 11753
  • H. Zhang S. Qi X. Niu J. Hu C. Ren H. Chena X. Chen Catal. Sci. Technol. 2014 4 3013 3024
  • Y. Chang D. Chen J. Hazard. Mater. 2009 165 664 669
  • X. Wu X. Wu J. Shen H. Zhang RSC Adv. 2014 4 49287 49294
  • S. Panigrahi S. Basu S. Praharaj S. Pande S. Jana A. Pal S. K. Ghosh T. Pal J. Phys. Chem. C 2007 111 4596 4605
  • F. Lin R. Doong J. Phys. Chem. C 2011 115 6591 6598