Oxidationsmekanismer ved guld nanoklynger optrevledes

Forskere mener, at gåden med katalytisk guld nu er delvist løst. Guld kan katalysere en oxidationsreaktion ved først at oxidere sig selv. Nye forskningsbeviser om guldoxidfase ved stuetemperatur og atmosfærisk tryk hjælper os til endelig at forstå oxidationsmekanismerne for katalytiske guldnanoclusters under disse forhold.

"Dette er afgørende, hvis vi ønsker at designe oxidationskatalysatorer, der kan bruge omgivende oxygen i reaktionsprocessen. Katalysatorer, der fungerer ved lave temperaturer, er væsentlige med hensyn til energieffektivitet i fremtiden, " siger Akademiforsker Karoliina Honkala ved Nanoscience Center (NSC) ved Jyvaskyla Universitet.

Forskerne ved NSC viser nye beviser fra beregningsundersøgelser, der understøttede guldklynger på nanometerstørrelse fuldstændigt kan bryde O-O-bindingen ved dannelse af en ny endimensionel guldoxidfase ved grænsen af ​​klyngen. Denne mekanisme forventes at dominere ved omgivelsesbetingelser med ét atmosfærisk tryk og stuetemperatur.

Undersøgelsen blev offentliggjort i september i Angewandte Chemie , førende internationale tidsskrift inden for kemi. Undersøgelsen er en del af Karoliina Honkalas Academy of Finland Academy Researcher-projekt, og det blev udført i samarbejde med professor Hannu Häkkinen. Beregningsarbejdet blev lettet af omfattende ressourcer fra det finske IT-center for videnskab, CSC.

I undersøgelsen, forskere udsatte de monolag-tykke guldklynger for et variabelt antal iltmolekyler. Det blev fundet, at selv en guldklynge effektivt kan adsorbere flere oxygenmolekyler ved klyngens grænser, samtidig svækkelse (strækning) af O-O-bindingen ved at overføre elektroner til iltmolekylerne. Under hensyntagen til virkningerne af temperatur og omgivende tryk, beregningerne forudsagde, at iltmolekylerne vil dissociere fuldstændigt, og ilt- og guldatomerne vil danne en-dimensionelle alternerende kæder ved klyngegrænsen (se figur). Iltatomerne i disse kæder er negativt og guldatomerne positivt ladede, skabe et system, der minder om en endimensionel guld-oxid-kæde. Disse kæder forventes at være den meget katalytisk aktive del mod omdannelse af kulilte til kuldioxid ved stuetemperatur.

Forskere Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen og Karoliina Honkala har studeret monolag-tykke guldklynger med 10-20 atomer, understøttet af tynde magnesiumoxidfilm, der blev dyrket på sølvmetal. Disse systemer kan fremstilles eksperimentelt, og sidste år offentliggjorde Jyväskylä-gruppen en fælles undersøgelse med professor Hans-Joachim Freund fra Fritz-Haber Institute i Berlin for at karakterisere atomare og elektroniske strukturer af guldklynger i sådanne systemer (se http://prl.aps.org/abstract/ PRL/v102/i20/e206801).

Intensivt eksperimentelt arbejde siden begyndelsen af ​​1980'erne har indikeret, at guldnanopartikler udviser uventet katalytisk aktivitet mod mange industrielt vigtige kemiske reaktioner, der involverer aktivering af atombindinger inde i oxygen- eller kulbrintemolekyler. Ved stuetemperatur dannelse af kuldioxid (CO ₂ ) fra carbonmonoxid (CO) og oxygenmolekyle (O ₂ ) er en af ​​de mest omfattende undersøgte processer. En række forskellige faktorer er blevet foreslået at bidrage til guldpartiklernes evne til at aktivere O-O-bindingen, hvilket anses for at være det vigtigste reaktionstrin.

"Den nu offentliggjorte undersøgelse giver os en ny tilgang til problemet. Dannelsen af ​​guldoxid, det er, oxidation af guld, er i modstrid med de kendte egenskaber ved makroskopisk guldmetal. På nanometerskalaen, imidlertid, alt ser ud til at være muligt, " siger professor Häkkinen.