Een weg naar stabiele, hoogactieve katalysatoren van gouden nanoclusters

Katalysatoren zijn alomtegenwoordig, of het nu gaat om een ​​enzym in het lichaam dat voedsel verteert of de katalysator in de auto die verontreinigende stoffen afbreekt. Katalysatoren spelen een belangrijke rol bij het efficiënter maken van chemische reacties. Onlangs zijn atomair nauwkeurige metalen nanoclusters (NC’s) die verschillende thermische, elektrochemische en fotochemische reacties kunnen versnellen, gebruikt om bruikbare katalysatoren te ontwerpen. Deze NC’s zijn kleine deeltjes (minder dan 2 nanometer) waarvan de eigenschappen kunnen worden gewijzigd door hun atomaire samenstelling te veranderen. Metalen NC’s hebben veel aandacht gekregen, waarbij wetenschappers verschillende manieren probeerden te vinden om NC’s met unieke functies te synthetiseren.

Een populaire manier om atomair nauwkeurige metalen NC’s te fabriceren, is het gebruik van liganden (moleculen of ionen die zich hechten aan een centrale metalen kern). Deze liganden beschermen niet alleen de kleine NC’s, maar beïnvloeden ook hun chemische reactiviteit en selectiviteit. Soms is de reactiviteit echter lager dan verwacht.

Om de katalytische activiteit van met ligand beschermde metalen NC’s te vergroten, worden ze in een oven bij hoge temperaturen zonder zuurstof verwarmd (een proces dat “calcinering” wordt genoemd) om de liganden uit het hoofdcluster te verwijderen. Het verhitten van de deeltjes bij zeer hoge temperaturen kan er echter voor zorgen dat de NC’s zich ophopen, wat vaak leidt tot een afname van de reactiviteit. “Wanneer de liganden worden verwijderd zonder speciale behandeling, aggregeren de metalen NC’s gemakkelijk op de drager en verliezen ze hun groottespecifieke eigenschappen. Het is essentieel om het mechanisme van ligandcalcinering te begrijpen om onder geschikte omstandigheden zeer functionele heterogene katalysatoren te creëren”, zegt prof. Yuichi Negishi van de Tokyo University of Science, Japan, die onderzoek doet naar de synthese van nanoclusters.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Angewandte Chemie, leidde prof. Negishi een team van onderzoekers, waaronder assistent-professor Tokuhisa Kawawaki, de heer Yuki Kataoka, mevrouw Momoko Hirata en de heer Yuki Akinaga, om diep te graven in het mechanisme van het ligandverwijderingsproces in NC’s. Voor hun experimenten synthetiseerden de onderzoekers gouden NC’s beschermd door twee liganden, 2-fenylethaanthiolaat en mercaptobenzoëzuur en ondersteunden ze vervolgens op een fotokatalytisch metaaloxide. Vervolgens verwarmde het team het voorbereide materiaal op verschillende temperaturen, variërend van 195 ° C tot 500 ° C. Na elke stap analyseerden ze de producten met behulp van technieken zoals infraroodspectroscopie, röntgenfoto-elektronenspectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie om de veranderingen te identificeren in hun chemische samenstelling.

Nadat de liganden volledig waren vrijgegeven, heeft het team de gouden NC’s ingebed in een dunne film van chroomoxide door het monster te bestralen met UV-licht om aggregatie van de NC’s te voorkomen. Dit proces genereerde een fotokatalysator met nuttige eigenschappen zoals een hoge watersplitsingsactiviteit en stabiliteit.

Deze bevindingen vormen de leidraad voor het ontwerp voor op metalen NC gebaseerde katalysatoren in de toekomst, met toepassingen in waterstofopwekking voor waterstofbrandstofcellen. “Met ons onderzoek hopen we een schone, duurzame samenleving te bouwen, steen voor steen”, besluit prof. Negishi.