Et nanoskala gitter af palladium og yttrium giver en superlativ carbon-linking katalysator

En gruppe materialeforskere ved Tokyo Institute of Technology har vist, at en palladiumbaseret intermetallisk elektride, Y ₃ Pd ₂ , kan forbedre effektiviteten af ​​carbon-carbon krydskoblingsreaktioner. Deres resultater viser vejen til en mere bæredygtig verden gennem katalyse.

Forskere ved Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har udviklet et elektridmateriale bestående af yttrium og palladium (Y ₃ Pd ₂ ) som en katalysator for Suzuki krydskoblingsreaktioner. Disse reaktioner er blandt de mest udbredte til dannelse af carbon-carbon-bindinger i organisk og medicinsk kemi.

Y ₃ Pd ₂ blev forudsagt at være en effektiv elektride baseret på teoretiske beregninger, forklarer Tian-Nan Ye, en adjunkt ved Tokyo Tech's Materials Research Center for Element Strategy og første forfatter af undersøgelsen offentliggjort i Naturkommunikation . "I en elektride, anioniske elektroner er fanget i interstitielle steder og er typisk vært for en stærk elektrondonationseffekt, "siger han." Denne funktion motiverede os til at anvende Y ₃ Pd ₂ som en Suzuki-koblingsreaktionskatalysator, da reaktionsbarrieren for det hastighedsbestemmende trin kan undertrykkes gennem elektronoverførsel fra elektriden til substraterne."

I laboratorietests, den katalytiske aktivitet af Y ₃ Pd ₂ viste sig at være ti gange højere end det opnåede med en ren Pd-katalysator, og aktiveringsenergien blev reduceret med 35%.

Hvad gør Y ₃ Pd ₂ så effektiv og stabil er den vellykkede inkorporering af aktive Pd-atomer i et intermetallisk elektridgitter. "De stabiliserede Pd -aktive steder i vores krystallinske gitter løser de problemer med aggregering og udvaskning, der almindeligvis er forekommet i andre rapporterede systemer indtil nu, " siger Ye. "Dette gør vores katalysator ekstremt robust og stabil til langtidsbrug, uden deaktivering. "

Genanvendeligheden af ​​katalysatoren (op til 20 cyklusser) og den relative lethed, hvormed Pd-atomer kan genvindes, repræsenterer et vigtigt skridt til at opnå større bæredygtighed i den kemiske industri.

Ideen om at kombinere yttrium og palladium blev skabt af Jens Kehlet Nørskovs arbejde, nu på Stanford University, siger Ye. I 2009 Nørskov og kolleger offentliggjorde banebrydende resultater om katalysatorer lavet af platin legeret med tidlige overgangsmetaller, inklusive yttrium. Siden da, mange grupper har undersøgt nye kombinationer af intermetalliske forbindelser (bestående af et sjældent jordmetal og et aktivt overgangsmetal), med det mål at udvikle langt mere effektive katalysatorer til den kemiske industri.

Gennem en række beregninger og eksperimentelle undersøgelser, Ye og hans team viste, at Y ₃ Pd ₂ har en stærk elektrondonerende effekt forbundet med en lav arbejdsfunktion og høj bærertæthed - funktioner, der gør det muligt for katalysatoren at arbejde med en meget lavere aktiveringsenergi end en ren Pd-katalysator.

En tilbageværende udfordring er det relativt lave overfladeareal af Y ₃ Pd ₂ . For at løse dette problem, holdet brugte en pulveriseringsteknik kaldet kuglemaling og sammenlignede katalytisk aktivitet ved hjælp af forskellige opløsningsmidler såsom heptan og ethanol. I alle de prøver, der er undersøgt indtil videre, teamet fandt ud af, at Suzuki -koblingsreaktionshastigheden steg i forhold til stigningen i overfladearealet. Disse første resultater er "meget lovende, " siger du, tyder på, at "katalytisk ydeevne kan forbedres gennem yderligere nanokrystallisering."