Top Banner
S1 UltraLow Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile, Highly Recyclable Reduction of pNitrophenol Lorianne R. Shultz 1,2 , Corbin Feit 2,3 , Jordan Stanberry 1 , Zhengning Gao 2,3 , Shaohua Xie 2,4 , Vasileios A. Anagnostopoulos 1 , Fudong Liu 2,4,5 , Parag Banerjee 2,3,5, *, and Titel Jurca 1,2,5, * 1 Department of Chemistry, University of Central Florida, 4111 Libra Drive, Orlando, FL, 32816, USA; [email protected] (L.R.S.); [email protected] (J.S.), Vasileios Anagnostopoulos (V.A) 2 Renewable Energy and Chemical Transformations Cluster, University of Central Florida, 4353 Scorpius Street, Orlando, FL, 32816, USA. 3 Department of Materials Science and Engineering, University of Central Florida, Orlando, FL, 32816, USA; [email protected] (C.F.) [email protected] (Z.G.) 4 Department of Civil, Environmental, and Construction Engineering, University of Central Florida, Orlando, FL, 32816, USA; [email protected] (S.X.) ; [email protected] (F.L.) 5 NanoScience Technology Center, University of Central Florida, Orlando, FL, 32826, USA. * Correspondence: [email protected] (P.B.); [email protected](T.J.) Table of Contents XPS analysis of model Ru on Al2O3……………………………………………………………………………S2 UVVis spectra and kinetics for the reduction of 4NP (Ru50@Al2O3 and Ru75@Al2O3)………….……S3S5 UVVis spectra for the blank Al2O3 sphere test for reduction of 4NP …………………..………..………..S5 Reduction of Azo dyes and Aminonitrophenols (Ru75@Al2O3)………........................................………S6S8 Reduction of 4NP (Ru50@Al2O3) under various stirring rates……………………………………….……S9S10
10

Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

Mar 29, 2023

Download

Documents

Khang Minh
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Page 1: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S1  

Ultra‐Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths 

for Facile, Highly Recyclable Reduction of p‐

Nitrophenol Lorianne R. Shultz1,2, Corbin Feit2,3, Jordan Stanberry1, Zhengning Gao2,3, Shaohua Xie2,4, Vasileios A. 

Anagnostopoulos1, Fudong Liu2,4,5, Parag Banerjee2,3,5,*, and Titel Jurca1,2,5,* 

1  Department  of  Chemistry,  University  of  Central  Florida,  4111  Libra  Drive,  Orlando,  FL,  32816,  USA; 

[email protected] (L.R.S.); [email protected] (J.S.), Vasileios Anagnostopoulos (V.A) 2  Renewable Energy and Chemical Transformations Cluster, University of Central Florida, 4353 Scorpius Street, 

Orlando, FL, 32816, USA. 3  Department  of Materials  Science  and  Engineering,  University  of  Central  Florida,  Orlando,  FL,  32816,  USA; 

[email protected] (C.F.) [email protected] (Z.G.) 4  Department of Civil, Environmental, and Construction Engineering, University of Central Florida, Orlando, FL, 

32816, USA; [email protected] (S.X.) ; [email protected] (F.L.) 5  NanoScience Technology Center, University of Central Florida, Orlando, FL, 32826, USA. 

*  Correspondence: [email protected] (P.B.); [email protected](T.J.) 

  

   

Table of Contents     

XPS analysis of model Ru on Al2O3……………………………………………………………………………S2 

 

UV‐Vis spectra and kinetics for the reduction of 4NP (Ru50@Al2O3 and Ru75@Al2O3)………….……S3‐S5  

UV‐Vis spectra for the blank Al2O3 sphere test for reduction of 4NP …………………..………..………..S5 

 

Reduction of Azo dyes and Amino‐nitrophenols (Ru75@Al2O3)………........................................………S6‐S8 

 

Reduction of 4NP (Ru50@Al2O3) under various stirring rates……………………………………….……S9‐S10 

  

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S2  

  

Figure S1: Fine spectra of Ru 3d of 50 cycles Ru ALD at 185°C onto a 10 nm Al2O3 ALD 

film on silicon. 

 

 

Table S1: The 3d5/2 peak position of each species, area and full‐width at half‐max 

(FWHM) for Ru0, Ru4+ and the 1s peak position, area and FWHM for C‐C for 50 cycles 

Ru ALD at 185°C onto a 10 nm Al2O3 ALD film on silicon. 

ALD at 185°C Species:

BE (eV): FWHM: Area: Atomic Percent of only Ru species (%):

Ru (0) 279.930 0.62 19507.210 43.22

Ru (IV) 280.466 1.28 25631.960 56.78

Ru (IV) satellite  282.015 2.5 9479.835 ‐‐

C‐C 284.50 2 3648.847 ‐‐

Page 3: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S3  

 

  

Figure S2: UV‐Vis spectra plotted as At – At,initial for enhanced visualization of the max = 

400 nm  (4NP*) decrease and absorbance at 310 nm  (4AMP*)  increase;  spectra  for  the 

reduction of 4NP using Ru50@Al2O3 (30.6 mg for trial 1, left, and 29.3 mg for trial 2, right), 

each catalyst recycled over five serial tests (top to bottom) with DIW rinsing in between. 

Reduction was monitored at 1 min intervals for 60 min. First order and zero order kinetics 

are shown for each trial, corresponding to max = 400 nm (right of each spectrum).  

 

Page 4: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S4  

  

 

Figure S3: UV‐Vis spectra plotted as At – At,initial for enhanced visualization of the max = 

400 nm  (4NP*) decrease and absorbance at 310 nm  (4AMP*)  increase;  spectra  for  the 

reduction of 4NP using Ru75@Al2O3 (28.6 mg for trial 1, left, and 26.9 mg for trial 2, right), 

each catalyst recycled over five serial tests (top to bottom) with DIW rinsing in between. 

Reduction was monitored at 1 min intervals for 60 min. First order and zero order kinetics 

are shown for each trial, corresponding to max = 400 nm (right of each spectrum).  

 

 

Page 5: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S5  

Trial_ Run  First order rate [min‐1(g Ru)‐1]  Zeroth order rate [min‐1(g Ru)‐1] 

1_1  15056.1  30691.1 

1_2  9832.3  20265.8 

1_3  10410.3  21039.6 

1_4  10215.7  20460.7 

1_5  9832.3  20076.8 

2_1  17944.5  30643.8 

2_2  8051.1  16934.4 

2_3  9661.3  19958.7 

2_4  8918.1  18346.1 

2_5  8859.1  18346.1 

 

Table S2: Pseudo‐first and zeroth order kinetics for the reduction of 4NP with 

Ru50@Al2O3. 

 

Trial_ Run  First order rate [min‐1(g Ru)‐1]  Zeroth order rate [min‐1(g Ru)‐1] 

1_1  38862.6  38862.6 

1_2  20277.2  36610.1 

1_3  8636.1  18398.5 

1_4  9575.5  19524.7 

1_5  7696.8  16711.7 

2_1  44852.3  54387.4 

2_2  5828.1  13065.3 

2_3  4060.5  9181.6 

2_4  7065.5  14656.2 

2_5  4590.8  10242.1 

 

Table S3: Pseudo‐first and zeroth order kinetics for the reduction of 4NP with 

Ru75@Al2O3. 

 

 

 

Page 6: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S6  

 Figure S4: UV‐Vis  spectra  for  the  1 min  interval monitoring  for  60  scans  the of  4NP 

solution with a blank Al2O3 spheres showing no reaction.   

 

To further validate the broader substrate scope and potential for our catalyst system, as 

a proof of concept, we tested the single run activity of Ru75@Al2O3 towards the reduction 

of 2‐amino‐5‐nitrophenol (2A5NP) and 4‐amino‐2‐nitrophenol (4A2NP). Moving beyond 

nitro groups, we tested for the reduction of azo moieties in common dyes Methyl Orange 

(MO)  and Methyl Red  (MR)  towards  their  constituent  anilines  (Scheme  S1).  Further 

details are provided in the captions of Figures S4‐S7 below. 

 

 

catalyst

NaBH4DIW

NO2

H2N

OH

NH2

HO

NO22A5NP 4A2NP

N

NN

SO3Na

MODMPD4ABS

N

NN

HO OMR

catalyst

NaBH4DIW

O3S

NH2

N

NH2

+

catalyst

NaBH4DIW

DMPDN

NH2

+

NH2OOCABA

catalyst

NaBH4DIW

NH2

H2N

OH

NH2

HO

NH2

  

Scheme S1: Expanded scope of catalytic testing of Ru75@Al2O3. 

 

Page 7: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S7  

 Figure  S5: UV‐Vis  spectra  for  the  1 min  interval monitoring  of  the  reduction  of  2‐amino‐5‐nitrophenol  (0.39  µmol  in  3  mL  DIW)  under  excess  NaBH4  conditions  (0.2  mmol)  using 

Ru75@Al2O3  (masses  shown on plots) over  two  trials. First order and  zero order kinetics are 

shown for each trial, corresponding to max = 460 nm; providing averages of 55054   5349 and 32567   1739 min‐1(g Ru)‐1 respectively.    

 Figure  S6: UV‐Vis  spectra  for  the  1 min  interval monitoring  of  the  reduction  of  4‐amino‐2‐nitrophenol  (0.39  µmol  in  3  mL  DIW)  under  excess  NaBH4  conditions  (0.2  mmol)  using 

Ru75@Al2O3  (masses  shown on plots) over  two  trials. First order and  zero order kinetics are 

shown for each trial, corresponding to max = 480 nm; providing averages of 40643   475 and 18136   1507 min‐1(g Ru)‐1 respectively.  

Page 8: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S8  

 Figure S7: UV‐Vis spectra for the 1 min  interval monitoring of the reduction of methyl orange 

(0.34 µmol in 3 mL DIW) under excess NaBH4 conditions (0.2 mmol) using Ru75@Al2O3 (masses shown on plots) over  two  trials. First order and  zero order kinetics are  shown  for each  trial, 

corresponding to max = 465 nm; providing averages of 225990   63554 and 114330   10163 min‐1(g Ru)‐1 respectively.    

 Figure S8: UV‐Vis spectra for the 1 min interval monitoring of the reduction of methyl red (0.33 

µmol in 3 mL DIW) under excess NaBH4 conditions (0.2 mmol) using Ru75@Al2O3 (masses shown on  plots)  over  two  trials.  First  order  and  zero  order  kinetics  are  shown  for  each  trial, 

corresponding to max = 430 nm; providing averages of 14131   7283 and 763   164 min‐1(g Ru)‐1 respectively.  

Page 9: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S9  

 Figure S9: UV‐Vis spectra and kinetics for the reduction of 4NP using Ru50@Al2O3 that 

was pre‐treated in 3 mL of 0.2 mmol NaBH4 for 10 min, followed by a several milliliters 

of DIW rinse. Kinetics were obtained using max = 400 nm  (4NP*), monitored at 1 min 

intervals; providing pseudo‐first and zeroth order rates of 29305 and 22257 min‐1(g Ru)‐1 

respectively.  

 

 

 

 Figure S10: UV‐Vis spectra and kinetics for the reduction of 4NP (2.34 μmol) with NaBH4 

(1.2 mmol) in 18 mL DIW using Ru50@Al2O3 (masses shown on plots) at different stir rates 

(RPMs shown on spectra). Reaction was monitored at 5 min intervals using a dip‐probe 

attachment. Kinetics were obtained using max = 400 nm (4NP*). To reduce perturbation and 

improve analysis, spectra was smoothed using OriginLab Savitzky‐Golay function with 40 points 

of  window,  normalized  to  the  baseline  of  the  initial  scan,  and  standardized  by  subtracting 

absorbances by a constant factor to bring the baseline down to zero.  

 

 

Page 10: Ultra-Low Loading Ruthenium on Alumina Monoliths for Facile ...

S10  

Stir rate (RPM)  First order rate [min‐1(g Ru)‐1]  Zeroth order rate [min‐1(g Ru)‐1] 

0  4797  4619 

250  11796  11260 

500  18231  13941 

1000  23927  15395 

 

Table  S4:  Pseudo‐first  and  zeroth  order  kinetics  for  the  reduction  of  4NP  with 

Ru50@Al2O3 at different stir rates pertaining to spectra and kinetics shown in Figure S10.