En vej til stald, højaktive katalysatorer fra guld nanoclusters

Katalysatorer er allestedsnærværende, om det er i form af et enzym i kroppen, der fordøjer maden, eller katalysatoren i bilen, der nedbryder forurenende stoffer. Katalysatorer spiller en vigtig rolle i at gøre kemiske reaktioner mere effektive. For nylig, atomisk præcise metal nanoclusters (NC'er), der kan accelerere forskellige termiske, elektrokemisk, og fotokemiske reaktioner er blevet brugt til at designe nyttige katalysatorer. Disse NC'er er små partikler (mindre end 2 nanometer), hvis egenskaber kan ændres ved at ændre deres atomare sammensætning. Metal NC'er har fået stor opmærksomhed, med forskere, der forsøger at finde forskellige måder at syntetisere NC'er med unikke funktioner.

En populær måde at fremstille atomisk præcise metal-NC'er på er at bruge ligander (molekyler eller ioner, der binder sig til en central metalkerne). Disse ligander beskytter ikke kun de små NC'er, men påvirker også deres kemiske reaktivitet og selektivitet. Sommetider, imidlertid, reaktiviteten er lavere end forventet.

For at øge den katalytiske aktivitet af ligandbeskyttede metal-NC'er, de opvarmes i en ovn ved høje temperaturer uden oxygen (en proces kaldet "calcinering") for at fjerne liganderne fra hovedklyngen. Imidlertid, opvarmning af partiklerne ved meget høje temperaturer kan få NC'erne til at akkumulere, fører ofte til et fald i reaktivitet. "Når liganderne fjernes uden særlig behandling, metal-NC'erne aggregerer let på støtten og mister deres størrelsesspecifikke egenskaber. Det er vigtigt at forstå mekanismen for ligandkalcinering for at skabe meget funktionelle heterogene katalysatorer under passende forhold, " siger prof. Yuichi Negishi fra Tokyo University of Science, Japan, der forsker i syntesen af ​​nanoclusters.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Angewandte Chemie , Prof. Negishi ledede et team af forskere, herunder adjunkt Tokuhisa Kawawaki, Mr. Yuki Kataoka, Momoko Hirata, og hr. Yuki Akinaga, at grave dybt ind i mekanismen for ligandfjernelsesprocessen i NC'er. For deres eksperimenter, forskerne syntetiserede guld NC'er beskyttet af to ligander, 2-phenylethanethiolat og mercaptobenzoesyre og understøttede dem derefter på et fotokatalytisk metaloxid. Næste, holdet opvarmede det forberedte materiale ved forskellige temperaturer fra 195 grader C til 500 grader C. Efter hvert trin, de analyserede produkterne ved hjælp af teknikker som infrarød spektroskopi, røntgenfotoelektronspektroskopi, og transmissionselektronmikroskopi for at identificere ændringerne i deres kemiske sammensætning.

Efter at liganderne var fuldstændig frigivet, holdet indlejrede guld-NC'erne i en tynd film af chromoxid ved at bestråle prøven med UV-lys for at forhindre aggregering af NC'erne. Denne proces genererede en fotokatalysator med nyttige egenskaber som høj vandspaltningsaktivitet og stabilitet.

Disse resultater guider designet til metal NC-baserede katalysatorer i fremtiden, med anvendelser inden for brintgenerering til brintbrændselsceller. "Med vores forskning, vi håber at bygge et rent, bæredygtig, samfund, en mursten ad gangen, " slutter Prof. Negishi.