Ny synergistisk enkeltatom-katalysatortilgang bryder forgængernes aktivitetsbegrænsning

Nøglen til kemiske reaktioner ligger i navnet - der skal være noget, der får kemikalierne til at reagere på hinanden. Kaldet en katalysator, denne komponent inducerer eller fremskynder reaktioner på en kontrolleret måde for at producere et ønsket resultat. Katalysatorerne, der anvendes i flere industrier, er ofte sammensat af ædelmetaller, som ikke er effektive nok til at kompensere for deres høje omkostninger. For at løse dette problem for den kemiske reaktion ved at tilføje brint, kaldet hydrogenering, til quinolin, et molekyle vigtigt i farmaceutisk produktion, har forskere baseret i Kina udviklet en yderst effektiv katalysator bestående af synergistiske nanopartikler og enkelte atomer af iridium.

De offentliggjorde deres tilgang den 22. marts i Nano Research .

"Selektiv hydrogenering af quinolin og dets derivater til de tilsvarende produkter har brede anvendelsesmuligheder i den fine kemiske og farmaceutiske industri," sagde co-korresponderende forfatter Changyan Cao, forsker ved Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS) og University of Chinese Academy of Sciences (UCAS). "Quinoliner er en vigtig klasse af forbindelser til at få adgang til tetrahydroquinolinprodukter, der findes i vid udstrækning i lægemiddelmolekyler, men ædelmetalkatalysatorer er normalt nødvendige for at producere denne reaktion. Som sådan er det yderst vigtigt at forbedre aktiviteten og udnyttelseseffektiviteten af ​​ædelmetaller på grund af deres høje pris."

Forskerne fokuserede på enkeltatom-katalysatorer, som Cao sagde er blevet et varmt emne inden for katalysefeltet på grund af, hvordan de kan kombinere fordelene ved både homogene og heterogene katalysatorer. De homogene katalysatorer fremmer en ensartet reaktion, men heterogene katalysatorer kan inducere en højere udbyttereaktion. Problemet er ifølge Cao, at enkeltatom-katalysatorer mangler en metal-metal-binding. Uden denne binding at smelte sammen med, tvinges hydrogen gennem en anden vej, der resulterer i mindre generel hydrogenering.

"Da brint lettere dissocierer i matchende par på ædelmetalnanopartikler - til brintatomer, for eksempel - og det er velkendt, at brintatomer spiller over, antog vi, at brintatomer dannet på metalnanopartikler også kunne migrere til enkeltmetaller til hydrogenering, " sagde Cao og forklarede, at den indledende hydrogeneringsaktivitet mellem den foreslåede katalysator og substratet i det væsentlige ville producere en sekundær fase af hydrogenatomer, der er i stand til at fortsætte katalyseprocessen. "Ved et sådant design kan de ovennævnte problemer måske løses."

For at designe en sådan katalysator spredte forskerne enkelte atomer af iridium - det ædle metal med højest rapporteret iboende aktivitet til hydrogenering af quinolin - og nanopartikler i en kulstofbærer. Når quinolin blev anvendt, viste reaktionen sig mere effektiv, end når der kun blev brugt iridiumatomer eller kun nanopartikler.

"Konstruktion af en synergistisk katalysator ændrer reaktionsvejen for at drage fordel af enkeltatomsteder ved aktivering af substrat og nanopartikler i dissociation af brint," sagde den medkorresponderende forfatter Weiguo Song, professor ved ICCAS og UCAS. "Alle disse funktioner bidrager tilsammen til den meget forbedrede hydrogeneringsydelse sammenlignet med modstykket enkeltatomkatalysator og nanopartikelkatalysator alene."

Selvom den udviklede synergistiske katalysator ikke fjerner behovet for ædelmetaller, reducerer den mængden, der er nødvendig for en bedre reaktion.

"Vi foreslog og bekræftede en effektiv strategi til at øge den katalytiske aktivitet til hydrogenering af quinolin ved at konstruere en synergistisk katalysator af iridium-enkeltatomer og nanopartikler, der løser aktivitetsbegrænsningerne for enkeltatom-katalysatorer," sagde Song. "Dernæst vil vi udvide vores forskning til andre metalkatalysatorer og hydrogeneringsreaktioner for at demonstrere universaliteten af ​​synergistisk katalyse." + Udforsk yderligere

Opdagelse af en ny katalysator til højaktiv og selektiv carbondioxidhydrogenering til methanol