Kraften ved at blive lille:Kobberoxid -subnanopartikelkatalysatorer viser sig at være mest overlegne

Forskere ved Tokyo Institute of Technology har vist, at kobberoxidpartikler på sub-nanoskalaen er stærkere katalysatorer end dem på nanoskalaen. Disse subnanopartikler kan også katalysere oxidationsreaktionerne af aromatiske kulbrinter langt mere effektivt end katalysatorer, der i øjeblikket anvendes i industrien. Denne undersøgelse baner vejen til en bedre og mere effektiv udnyttelse af aromatiske kulbrinter, som er vigtige materialer for både forskning og industri.

Den selektive oxidation af kulbrinter er vigtig i mange kemiske reaktioner og industrielle processer, og som sådan, forskere har været på udkig efter mere effektive måder at udføre denne oxidation på. Kobberoxid (CunO _x ) nanopartikler er fundet nyttige som katalysator til behandling af aromatiske kulbrinter, men jagten på endnu mere effektive forbindelser er fortsat.

I den seneste tid har forskere anvendte ædelmetalbaserede katalysatorer bestående af partikler på sub-nano-niveau. På dette niveau, partikler måler mindre end et nanometer, og når de placeres på passende underlag, de kan tilbyde endnu højere overfladearealer end nanopartikelkatalysatorer for at fremme reaktivitet (fig. 1).

I denne trend, et team af forskere, herunder prof. Kimihisa Yamamoto og Dr. Makoto Tanabe fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) undersøgte kemiske reaktioner katalyseret af CunO _x subnanopartikler (SNP'er) for at evaluere deres ydeevne i oxidation af aromatiske kulbrinter. CunO _x SNP'er i tre specifikke størrelser (med 12, 28, og 60 kobberatomer) blev produceret inden for trælignende rammer kaldet dendrimerer (fig. 2). Understøttet på et zirkoniumsubstrat, de blev påført den aerobe oxidation af en organisk forbindelse med en aromatisk benzenring.

Røntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) og infrarød spektroskopi (IR) blev brugt til at analysere de syntetiserede SNP'ers strukturer, og resultaterne blev understøttet af beregninger af densitet funktionalitetsteori (DFT).

XPS-analysen og DFT-beregningerne afslørede stigende ionicitet af kobber-oxygen (Cu-O) bindinger, da SNP-størrelsen faldt. Denne bindingspolarisering var større end den, der ses i store Cu-O-bindinger, og den større polarisering var årsagen til den øgede katalytiske aktivitet af CunO _x SNP'er.

Tanabe og teammedlemmerne observerede, at CunO _x SNP'er fremskyndede oxidationen af ​​CH ₃ grupper knyttet til den aromatiske ring, derved fører til dannelse af produkter. Når CunO _x SNP -katalysator blev ikke brugt, ingen produkter blev dannet. Katalysatoren med den mindste CunO _x SNP'er, Cu ₁₂ Okse, havde den bedste katalytiske ydeevne og viste sig at være den længste.

Som Tanabe forklarer, "forbedring af ioniciteten af ​​Cu-O-bindingerne med fald i størrelsen af ​​CunO _x SNP'er muliggør deres bedre katalytiske aktivitet for aromatiske carbonhydridoxidationer. "

Deres forskning understøtter påstanden om, at der er et stort potentiale for at bruge SNP'er af kobberoxid som katalysatorer i industrielle applikationer. "Den katalytiske ydeevne og mekanisme for disse størrelseskontrollerede syntetiserede CunO _x SNP'er ville være bedre end for ædelmetalkatalysatorer, som er mest almindeligt anvendt i industrien på nuværende tidspunkt, "Yamamoto siger, antyder hvad CunO _x SNP'er kan opnå i fremtiden.