Katalytiske guld -nanokluster lover rige kemiske udbytter

(Phys.org) - Gammel tankegang var, at guld, mens det er godt til smykker, var ikke til stor nytte for kemikere, fordi det er relativt ikke -reaktivt. Det ændrede sig for et årti siden, da forskere ramte en rig vene af opdagelser, der afslørede, at dette ædle metal, når de er opbygget i partikler i nanometerstørrelse, kan fremskynde kemiske reaktioner, der er vigtige for at afbøde miljøforurenende stoffer og producere svært kemiske specialkemikalier. Katalytiske guld -nanopartikler har siden ansporet hundredvis af videnskabelige tidsskriftartikler. Da verdens katalysatormarked var klar til at ramme 19,5 milliarder dollar inden 2016, guld nanopartikler kan finde kommerciel såvel som intellektuel betydning, da de i sidste ende kunne føre til nye katalysatorer for energi, farmakologi og forskellige forbrugerprodukter.

Men før guld nanopartikler kan være nyttige for forbrugerne, forskere skal gøre dem både stabile og aktive. For nylig, forskere lærte at lave små, højtordnede klynger med et meget specifikt antal guldatomer, der er stabiliseret af forbindelser kaldet ligander. Disse stabiliserede guldklynger plus ligander kan betragtes som store molekyler. I samarbejde med forskere fra Carnegie Mellon University, forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har fundet et nyt guldmolekyle, en katalysator indeholdende præcis 25 guldatomer, der er både kraftfuld og sofistikeret. Det katalyserer omdannelsen af ​​en række forskellige molekyler, herunder omdannelse af giftigt kulilte til uskadeligt kuldioxid, en reaktion, der kan finde anvendelse i apparater i nærheden af ​​gasrøg eller brændeovne. Desværre, liganderne, der skaber og stabiliserer de konstruerede klynger, blokerer også de steder, der er nødvendige for at katalysere omdannelsen af ​​kulilte til kuldioxid.

"Liganderne er tveæggede sværd, "sagde studieleder Zili Wu fra ORNL, hvis undersøgelse blev udført i ORNLs katalysegruppe, som ledes af Steve Overbury. "Vi er interesserede i at bruge guldklynger som katalysatorer eller katalysatorforstadier. Ligander på den ene side stabiliserer guldpartikelstrukturen, men på den anden side reducerer deres katalytiske ydeevne. Balancering af disse to faktorer er nøglen til at skabe et nyt katalytisk system. Den ene måde er at udnytte et metaloxid (her, ceriumoxid) som en uorganisk ligand for at stabilisere guldklyngerne, når den organiske ligand skal fjernes til katalyse. "

Mange katalytiske systemer består af metalpartikler med katalytiske egenskaber placeret på en metaloxidbærer med sine egne katalytiske egenskaber. Metal og metaloxid arbejder sammen for at skabe en ny type katalytisk aktivitet. "Vi forsøger at forstå, hvordan det sker, "Sagde Wu.

Deres undersøgelse, offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , beskrevet, hvordan ligander gjorde guld -nanoklusteret i stand til at lægge til på en ceriumoxidstøtte formet som en stang. De producerede katalysatorer var alle identiske. Forskerne vil gerne konstruere fremtidige oxidstøtter i form af terninger eller oktaeder for at finde ud af, hvordan disse nanostrukturer kan ændre guldets konfiguration og reaktiviteten af ​​det endelige komponentsystem. Bedre forståelse af stabiliseringsmidler kan hjælpe med at designe nye katalysatorer til kritiske kemiske reaktioner, herunder oxidation, hydrogenering og kobling.

Carnegie Mellon professor Rongchao Jin, hans studerende Chenjie Zeng og ORNL postdoktorer Amanda Mann og Zhen-An Qiao syntetiserede guldklyngerne. Mann lavede ceriumoxidstængerne. Wu og Mann placerede guldklyngerne på understøtningerne og udførte kemiske reaktionsundersøgelser. David Mullins fra ORNL udførte målinger af forlænget røntgenabsorberingsfinstruktur for at lære, hvordan størrelser af klynger ændres med temperaturen. ORNLs Larry Allard verificerede strukturenes karakter med aberrationskorrigeret mikroskopi, og De-en Jiang, tidligere fra ORNL, men nu ved University of California – Riverside, brugte Oak Ridge Institutional Cluster til beregningsmæssigt at undersøge strukturer af ligandbundne guldklynger.

Aktivering af guld

"Disse ligander påvirker reaktiviteten - de forgifter i det væsentlige guldoverfladen - så guldet skal virkelig aktiveres, "Overbury, undersøgelsens seniorforfatter, forklaret. "Vi satte guldet på en støtte, og den har disse ligander, der beskytter den. Vi er nødt til at fjerne disse ligander, så vi grundlæggende opvarmer denne [guldnanokluster] eller behandler den i noget gas til forhøjede temperaturer. "

Når guldklyngerne opvarmes, liganderne begynder at løsne sig, og guldets katalytiske aktivitet stiger. The optimal temperature for producing gold nanocluster catalysts for carbon monoxide oxidation is 498 Kelvin (225 degrees Celsius or 437 degrees Fahrenheit), Wu said. If heating increases further, catalytic activity decreases because the gold particles become fluid and aggregate on the support.

Next the scientists are interested in varying the gold-cluster size and stabilizing the new clusters to make novel uniform catalysts. "We want to understand how other kinds of reactions can be catalyzed by these. So far we've only looked at carbon monoxide oxidation, which is kind of a test reaction, " Overbury said. "Our primary interest is using the gold-nanocluster complex as a toolbox for learning about how other complex reactions occur."

Added Overbury, "We're only just starting to mine all the catalytic possibilities for gold."

DOE's Office of Science sponsored the research described in the Journal of the American Chemical Society papir. Raman and Fourier transform infrared spectroscopies and catalytic measurements were conducted at the Center for Nanophase Materials Sciences, a DOE Office of Science User Facility at ORNL. Extended X-ray absorption fine structure work was performed at the National Synchrotron Light Source, which is also a DOE Office of Science User Facility, at Brookhaven National Laboratory.