Sub-nanopartikelkatalysatorer fremstillet af møntelementer som effektive katalysatorer

På grund af deres lille størrelse, nanopartikler finder forskellige anvendelser inden for områder lige fra medicin til elektronik. Deres lille størrelse tillader dem en høj reaktivitet og halvledende egenskab, der ikke findes i bulkstaterne. Sub-nanopartikler (SNP'er) har en ekstremt lille diameter på omkring 1 nm, gør dem endnu mindre end nanopartikler. Næsten alle atomer i SNP'er er tilgængelige og udsat for reaktioner, og derfor, SNP'er forventes at have ekstraordinære funktioner ud over egenskaberne ved nanopartikler, især som katalysatorer for industrielle reaktioner. Imidlertid, forberedelse af SNP'er kræver fin kontrol af størrelsen og sammensætningen af ​​hver partikel på en sub-nanometer skala, at gøre anvendelsen af ​​konventionelle produktionsmetoder nær umulig.

For at overvinde dette, forskere ved Tokyo Institute of Technology ledet af Dr. Takamasa Tsukamoto og prof. Kimihisa Yamamoto har tidligere udviklet atomhybridiseringsmetoden (AHM), der overgår de tidligere forsøg med SNP -syntese. Ved hjælp af denne teknik, det er muligt præcist at styre og diversificere størrelsen og sammensætningen af ​​SNP'erne ved hjælp af en "makromolekylær skabelon" kaldet phenylazomethin dendrimer. Dette forbedrer deres katalytiske aktivitet end NP -katalysatorerne.

Nu, i deres seneste undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie International Edition , teamet har taget deres forskning et skridt videre og har undersøgt den kemiske reaktivitet af legerede SNP'er opnået gennem AHM. "Vi skabte monometallisk, bimetallisk, og trimetalliske SNP'er (indeholdende en, kombination af to, og kombination af henholdsvis tre metaller), alle sammensat af møntmetalelementer (kobber, sølv, og guld), og testede hver for at se, hvor god en katalysator hver af dem er, "rapporterer Dr. Tsukamoto. Deres katalytiske aktivitet blev testet i oxidationsreaktionen af ​​olefiner, forbindelser, der består af hydrogen og kulstof med bred industriel anvendelse.

I modsætning til tilsvarende nanopartikler, de SNP'er, der blev oprettet, viste sig at være stabile og mere effektive. I øvrigt, SNP'er viste en høj katalytisk ydeevne, selv under de mildere forhold, i direkte kontrast til konventionelle katalysatorer. Monometallisk, bimetallisk, og trimetalliske SNP'er demonstrerede dannelsen af ​​forskellige produkter, og denne hybridisering eller kombination af metaller syntes at vise en højere omsætningsfrekvens (TOF). Den trimetalliske kombination "Au ₄ Ag ₈ Cu ₁₆ "viste den højeste TOF, fordi hvert metalelement spiller en unik rolle, og disse effekter virker sammen for at bidrage til høj reaktionsaktivitet.

Desuden, SNP skabte selektivt hydroperoxid, som er en højenergiforbindelse, der normalt ikke kan opnås på grund af ustabilitet (se figur 2). Milde reaktioner uden høj temperatur og tryk realiseret i SNP -katalysatorer resulterede i en stabil dannelse af hydroperoxid ved at undertrykke dets nedbrydning.

På spørgsmålet om relevansen af ​​disse fund, Prof Yamamoto udtaler:"Vi demonstrerer for første gang nogensinde, at olefinhydroperoxygenering kan katalyseres under ekstremt milde betingelser ved hjælp af metalpartikler i kvantestørrelsesområdet. Reaktiviteten blev væsentligt forbedret i de legerede systemer især for de trimetalliske kombinationer, som ikke er undersøgt tidligere. "

Teamet understregede, at på grund af den ekstreme miniaturisering af strukturerne og hybridiseringen af ​​forskellige elementer, møntmetallerne opnåede en tilstrækkelig høj reaktivitet til at katalysere oxidationen selv under den milde tilstand. Disse fund vil vise sig at være en banebrydende nøgle i opdagelsen af ​​innovative sub-nanomaterialer fra en lang række elementer og kan løse energikriser og miljøproblemer i de kommende år.