PEG-assisted Synthesis of Highly Dispersed Ag NPs/USY Catalysts and Their Efficient Catalytic Reduction of 4-Nitrophenol

doi:10.7503/cjcu20250279

Abstract

Abstract:

In precious metal catalytic systems， achieving a high degree of uniform dispersion of precious metal nanoparticles while establishing strong metal-support interactions is crucial for inhibiting the migration and loss of active components， as well as enhancing the intrinsic activity and stability of the catalyst. This study utilized a polyethylene glycol（PEG）-assisted hydrothermal synthesis method to control the dispersion and anchoring state of silver nanoparticles（Ag NPs）， resulting in the preparation of Ag NPs/USY catalysts， which were then applied in the catalytic hydrogenation reaction of 4-Nitrophenol（4-NP）. Using USY zeolite as the support and PEG as the reducing and stabilizing agent， a series of Ag NPs/USY catalysts was prepared by adjusting the molecular weight of PEG and the silver loading. Their structures were characterized using X-ray diffraction（XRD）， scanning electron microscopy （SEM）， X-ray photoelectron spectroscopy（XPS）， and nitrogen adsorption-desorption（BET）. The results indicate that the steric hindrance effect of PEG and its synergistic interaction with the functional groups on the zeolite surface enable the high dispersion and effective anchoring of Ag NPs within the mesoporous channels of USY zeolite， significantly suppressing the aggregation and loss of Ag NPs. Under ambient temperature and pressure conditions， the 5%Ag NPs/USY synthesized with the aid of PEG-400 exhibits excellent catalytic activity for high concentrations of 4-NP（500 mg/L）， achieving a conversion rate exceeding 99.9% within 8 min， with an apparent rate constant as high as 0.817 min⁻¹. After seven cycles， it maintains over 90% activity， demonstrating significantly superior stability compared to the Ag NPs/HY system. Characterization analysis further confirms that the Ag NPs confined within the pores exhibits higher resistance to oxidation and loss. XPS results indicate that the retention of elemental silver in Ag NPs/USY is 2.07 times that of Ag NPs/HY after cycling.

Key words: Silver nanoparticles, USY zeolite, 4-Nitrophenol, Catalytic reduction

CLC Number:

O643.36

TrendMD:

LIU Haoyang, PAN Bo, LIU Zhigang, ZHANG Zhihui, GAO Wenxiu, YANG Yanru, YANG Miaomiao. PEG-assisted Synthesis of Highly Dispersed Ag NPs/USY Catalysts and Their Efficient Catalytic Reduction of 4-Nitrophenol[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2026, 47(3): 20250279.

Figures/Tables 15

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System	Micropore area/ （m²·g^-1）	Micropore volume/ （cm³·g^-1）	Average pore diameter/nm	Total pore volume/（cm³·g^-1）	Specific surface area/ （m²·g^-1）
USY	675.88	0.2679	1.8688	0.3152	674.60
2%Ag NPs/USY	373.27	0.1477	2.1504	0.2018	375.31
5%Ag NPs/USY	320.85	0.1262	2.3102	0.1773	306.97
10%Ag NPs/USY	240.26	0.0929	2.4644	0.1480	246.30
HY	780.30	0.3082	1.7952	0.3447	768.06
5%Ag NPs/HY	315.06	0.1537	2.5574	0.2208	411.01

System	Micropore area/ （m²·g^-1）	Micropore volume/ （cm³·g^-1）	Average pore diameter/nm	Total pore volume/（cm³·g^-1）	Specific surface area/ （m²·g^-1）
USY	675.88	0.2679	1.8688	0.3152	674.60
2%Ag NPs/USY	373.27	0.1477	2.1504	0.2018	375.31
5%Ag NPs/USY	320.85	0.1262	2.3102	0.1773	306.97
10%Ag NPs/USY	240.26	0.0929	2.4644	0.1480	246.30
HY	780.30	0.3082	1.7952	0.3447	768.06
5%Ag NPs/HY	315.06	0.1537	2.5574	0.2208	411.01

Entry	Catalyst	k_app/min^-1	Concentration of 4⁃NP solution/（mg·L^-1）	Silver concentration（%）	Cycle（act. ^a >50%）	Ref.
1	rGO/Ag	0.49	41.7	18	8	［53］
2	rGO/Fe₃O₄/Ag	0.37	13.9	23.1	3	［54］
3	Ag dendrites	0.34	14.3	ca. 100	N/A ^b	［55］
4	Ag/MR⁃Photo	0.126	17.4	1	4	［56］
5	PG/Ag	0.33	16.7	55.3	N/A ^b	［57］
7	Fe₃O₄/SiO₂@Ag	0.24	0.0278	1.44	4	［58］
8	Ag NPs⁃loaded⁃zeolite	0.18	9.2	4	N/A ^b	［31］
9	Ag NPs/USY	0.817	500	5	8	This work

Entry	Catalyst	k_app/min^-1	Concentration of 4⁃NP solution/（mg·L^-1）	Silver concentration（%）	Cycle（act. ^a >50%）	Ref.
1	rGO/Ag	0.49	41.7	18	8	［53］
2	rGO/Fe₃O₄/Ag	0.37	13.9	23.1	3	［54］
3	Ag dendrites	0.34	14.3	ca. 100	N/A ^b	［55］
4	Ag/MR⁃Photo	0.126	17.4	1	4	［56］
5	PG/Ag	0.33	16.7	55.3	N/A ^b	［57］
7	Fe₃O₄/SiO₂@Ag	0.24	0.0278	1.44	4	［58］
8	Ag NPs⁃loaded⁃zeolite	0.18	9.2	4	N/A ^b	［31］
9	Ag NPs/USY	0.817	500	5	8	This work