Universität zu Köln

Nanocatalysis in Ionic Liquids - Syntheses, Characterisation and Application of Nanoscale Catalysts

Keßler, Michael (2014) Nanocatalysis in Ionic Liquids - Syntheses, Characterisation and Application of Nanoscale Catalysts. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    In this work, immobilized metal- and metaloxide nanoparticles were used as nanoscale catalysts in chemical reactions. Palladium nanoparticles, which catalyze classical CC cross-coupling reactions (Heck-, Suzuki- or Sonogashira reactions), were grafted in the pores of carbonized wood. Several recycling reactions with remarkable performance could be realized. Furthermore, Cu2O nanoparticles were synthesized in tetra-n-butylphosphonium acetate, an ionic liquid with high stabilizing potential and low melting point. These nanoparticles could be used as a recyclable decarboxylation catalyst for 2-nitrobenzoic acids and as a catalyst for Buchwald-Hartwig reactions. Depending on the reaction parameters or functional groups of the substrates, the catalyst showed moderate to excellent activity and recyclability. Inspired by the straight forward synthesis of palladium and copper oxide nanoparticles from simple metal salts with acetate ions as reductive species, a more general method for the synthesis of nanoscale materials has been developed in this work. Copper, silver, nickel oxide and zinc oxide nanoparticles have been synthesized via microwave irradiation in two different ionic liquids, as well as from two different precursors, respectively. Apparently, a wide range of nanostructures can be realized in ionic liquid systems with the assistance of acetate anions and without the necessity of ligands, surfactants, inert conditions or any further additives. Besides some reviewing paragraphs, the ongoing experimental but unpublished work, which is in continuation of the above stated topics, is also presented, including deuteration experiments, deoxygenation reactions and decarboxylative cross-coupling reactions. In sum, the syntheses, characterization and evaluation of nanoscale catalytic systems is presented. Examples for new nanoparticle/ionic liquid systems, new and already established catalyses, which have not been realized with nanoparticle catalysts in ionic liquids so far as well as their performance concerning activity, stability and recyclability have been investigated.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Immobilisierte Metall- und Metalloxidnanopartikel finden in dieser Arbeit Verwendung als nanoskalige Katalysatoren für chemische Reaktionen. So wurden z.B. Palladiumnanopartikel, als Katalysatoren für C-C-Kreuzkupplungsreaktionen, wie die Heck-, Suzuki - oder Sonogashirareaktion eingesetzt. Als Substrat für die Immobilisierung diente carbonisiertes Holz, in dessen Poren die Partikel eingelagert wurden. Der geträgerte Katalysator konnte in allen drei Reaktionen mehrfach recycelt werden und lieferte dabei gute Ausbeuten der jeweiligen Kupplungsprodukte. Darüberhinaus wurden Cu2O Nanopartikel in Tetra-n-butyl-phosphonium Acetat, einer ionischen Flüssigkeit mit stabilisierenden Eigenschaften und niedrigem Schmelzpunkt, dargestellt. Die Partikel dienten sowohl als Katalysator für Decarboxylierungsreaktionen von 2-Nitrobenzoesäurederivaten als auch für Buchwald-Hartwig-Reaktionen. In Abhängigkeit von Reaktionsparametern oder funktionellen Gruppen an den Edukten, zeigten die Katalysatoren eine durchschnittliche bis exzellente Aktivität und eine ebenso gute Recyklierbarkeit. Inspiriert durch diese einfache und geradlinige Synthese von Palladium- und Kupferoxidnanopartikeln wurde eine allgemeine Synthesemethode zur Darstellung von Nanomaterialien in dieser Arbeit entwickelt. Dabei beruht die Partikelsynthese hauptsächlich auf der Reduktion einfacher Metallsalze durch Acetationen. Kupfer-, Silber-, Nickeloxid- und Zinkoxidnanopartikel wurden durch Mikrowellensynthese in zwei verschiedenen ionischen Flüssigkeiten und aus zwei verschiedenen Vorstufen (Präkursoren) dargestellt. Offenbar kann eine Vielzahl verschiedener Nanomaterialien in ionischen Flüssigkeiten unter Zuhilfenahme von Acetationen dargestellt werden. Dabei kann auf die Verwendung von zus ätzlichen Liganden, oberflächenaktiver Substanzen, inerter Reaktionsbedingungen oder anderer Additive verzichtet werden. Neben zwei zusammenfassenden Arbeiten geben weiterführende und auf den oben genannten Themengebieten basierende experimentelle Abschnitte einen Überblick über zusätzliche Anwendungsgebiete der hier vorgestellten Cu2O Nanopartikeln, sowie von Pd/Cu bimetallischen Nanopartikeln, wie z.B. Deuterierungsexperimente, Deoxygenierungsreaktionen und decarboxylierende Kreuzkupplungen. Zusammenfassend werden in dieser Arbeit die Synthese, Charakterisierung und Bewertung nanoskaliger Katalysatorsyteme vorgestellt. Es werden Beispiele für neuartige Nanopartikel/ ionische Flüssigkeitssysteme vorgestellt, sowie bisher noch nicht mit Nanopartikeln realisierte Katalysen in ionischen Flüssigkeiten sowie deren Leistungsfähigkeit hinsichtlich Aktivität, Stabilität und Wiederverwendbarkeit untersucht.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Keßler, MichaelMichael.Kessler@uni-koeln.de
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-60324
    Subjects: Chemistry and allied sciences
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    Nanocatalysis, Ionic LiquidsUNSPECIFIED
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Anorganische Chemie
    Language: English
    Date: 18 August 2014
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 10 October 2014
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 08 Apr 2015 08:15:58
    Referee
    NameAcademic Title
    Prechtl, Martin H. G.Dr.
    Schmidt, AnnetteProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/6032

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