Forskere opdager, hvordan en nanokatalysator fungerer på atomniveau

Forskere fra Nanoscience Center (NSC) ved Jyväskylä Universitet, Finland, og Xiamen University, Kina, har opdaget, hvordan kobberpartikler på nanometerskala fungerer ved at modificere en kulstof-iltbinding, når ketonmolekyler bliver til alkoholmolekyler. Ændring af carbon-ilt- og carbon-carbon-bindingerne fundet i organiske molekyler er et vigtigt mellemtrin i katalytiske reaktioner, hvor kildematerialet ændres til værdifulde slutprodukter.

At forstå driften af ​​katalysatorer på niveau med atomstrukturen af ​​en enkelt partikel gør det muligt at udvikle katalysatorer med ønskede egenskaber, såsom at gøre dem effektive og selektive for et specifikt slutprodukt. Undersøgelsen blev offentliggjort i ACS Nano . I Finland, undersøgelsen blev ledet af akademiprofessor Hannu Häkkinen.

De katalytiske kobberpartikler, der blev brugt i undersøgelsen, blev fremstillet og strukturelt karakteriseret ved Xiamen University, og deres funktion til at ændre en stærk kulstof-iltbinding i en hydrogeneringsreaktion blev undersøgt af forskerne fra Nanoscience Center (NSC) ved Universitetet i Jyväskylä i computersimuleringer. Den præcise atomstruktur af kobberpartiklerne blev bestemt gennem røntgendiffraktion og kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Partiklerne viste sig at indeholde 25 kobberatomer og ti hydrogenatomer, og der var 18 thioler, der beskyttede overfladen af ​​partiklen. Mens det eksperimentelle arbejde i Xiamen afslørede dets fremragende ydeevne i katalytisk hydrogenering af ketoner, simuleringerne forudsagde, at brinterne bundet til kobberkernen af ​​partiklen fungerer som et brintlager, som frigiver to brintatomer til kulstof-iltbindingen under en reaktion. Brintlageret genopfyldes efter reaktionen, når et brintmolekyle knyttet til partiklen fra dens omgivelser spaltes i to brintatomer, som er bundet igen til kobberkernen (se billede). NMR-målingerne udført i Xiamen afslørede et mellemprodukt af reaktionen, som bekræftede beregningsmodellens forudsigelser.

"Dette er en af ​​de første gange, det har været muligt at opdage, hvordan en katalytisk partikel virker, når dens struktur er kendt nøjagtigt, takket være et samarbejde, der involverer både eksperimenter og simuleringer, " siger akademiprofessor Hannu Häkkinen fra universitetet i Jyväskylä, der ledede den beregningsmæssige del af undersøgelsen.

Häkkinens samarbejdspartner, Karoliina Honkala, professor i computerkatalyse, siger, "Traditionelt dyre platinbaserede katalysatorer anvendes i hydrogeneringsreaktioner. Denne undersøgelse viser, at kobberhydridpartikler i nanoskala også fungerer som hydrogeneringskatalysatorer. Resultaterne giver håb om, at i fremtiden, det vil være muligt at udvikle effektive og billige kobberbaserede katalysatorer til at omdanne funktionaliserede organiske molekyler til produkter med en højere merværdi."