Hybride Janus nanopartikler fremstillet af guld og titaniumoxid har høj katalytisk aktivitet og ekstraordinær holdbarhed

Så sent som for femogtyve år siden, kemikere betragtede guld som et af de mest inerte metalliske elementer, indtil opdagelsen af, at dispersioner af guld i nanoskala havde høj katalytisk aktivitet, tvang en nytænkning af gamle principper. Forskere fandt hurtigt ud af, at guldnanopartikler kunne fremme mange industrielt vigtige reaktioner, såsom fjernelse af skadelig kuliltegas fra emissionsstrømme. Mens fordelene ved guld i nanoskala er velbeviste, at forberede materialet i en holdbar og genanvendelig form er fortsat en betydelig udfordring, der begrænser dets optagelse af producenter.

Arbejde udført af teamene af Ming-Yong Han fra Institute of Materials Research and Engineering og Yong-Wei Zhang fra Institute of High Performance Computing begge på A*STAR har afsløret, at stabiliteten af ​​guld nanopartikelkatalysatorer kan forbedres ved at belægge dem med beskyttende titandioxid (TiO2) lag. Udtænkt af medforfatter Zhi Wei Seh, en A*STAR National Science Scholar, denne nye teknik producerer såkaldte Janus nanostrukturer, der bevarer næsten al den katalytiske aktivitet af nøgne guld nanopartikler uden at lide af irreversibel aggregering, der mindsker reaktiviteten af ​​sidstnævnte.

Opkaldt efter den to-ansigtede romerske gud for begyndelser og overgange, Janus nanostrukturer forbinder to eller flere lige store komponenter sammen gennem meget små kryds-et arrangement, der maksimerer det aktive overfladeareal for hvert stof. De gavnlige virkninger af at parre guldnanopartikler med titaniumdioxid er velkendte, men indtil arbejdet af A*STAR -forskere, en detaljeret forståelse af den mekanisme, hvormed disse to arter smelter sammen, havde vist sig undvigende.

Han og kolleger brugte en ukonventionel chelaterende forbindelse kaldet titanium-diisopropoxid bis (acetylacetonat) til at nukleere væksten af ​​TiO2 på guld ved ekstremt langsomme hastigheder. Ved omhyggeligt at kontrollere tilsætningen af ​​dette reagens til stav- og kugleformede guldnanopartikler, forskerne observerede tre forskellige nanostrukturer (se billedet):en Janus-geometri; en delvist indkapslende 'excentrisk' geometri; og et 'koncentrisk' kerne-skal arrangement.

Katalytiske eksperimenter afslørede, at reaktiviteten og holdbarheden af ​​guld-titania Janus-strukturer har unikke fordele i forhold til andre nanopartikler. På grund af den blottede natur af deres guldoverflader, førstnævnte katalyserer reduktionen af ​​molekylet 4-nitro phenol med meget hurtigere hastigheder end excentriske og koncentriske nanopartikler, hvis guldoverflader er mere begrænsede. Desuden, hybridkatalysatorernes beskyttende TiO2-belægning tillod dem at blive genbrugt gentagne gange med lidt tab af aktivitet. I modsætning, nøgne guld-nanopartikler agglomererede til ikke-reaktive klumper efter kun fem brugscyklusser.

Yderligere teoretiske undersøgelser af teamet afslørede, at dannelsen af ​​Janus nanostrukturer som den energisk stabile art fremmes ved tilsætning af mindre mængder af titania -forløberen - et fund, der kan hjælpe forskerne med at generere andre metaloxidhybrider til katalytiske anvendelser i nærheden fremtid.