Neuartiger synergistischer Ein-Atom-Katalysatoransatz durchbricht Aktivitätsbeschränkung von Vorgängern
Der synergistische Katalysator macht Edelmetalle zwar nicht überflüssig, aber er verringert die für eine bessere Reaktion erforderliche Menge
Der Schlüssel zu chemischen Reaktionen liegt im Namen - es muss etwas vorhanden sein, das die Chemikalien dazu bringt, miteinander zu reagieren. Diese Komponente, die als Katalysator bezeichnet wird, löst Reaktionen aus oder beschleunigt sie auf kontrollierte Weise, um ein gewünschtes Ergebnis zu erzielen. Die in verschiedenen Industriezweigen verwendeten Katalysatoren bestehen häufig aus Edelmetallen, die nicht effizient genug sind, um ihre hohen Kosten zu kompensieren. Um dieses Problem für die chemische Reaktion der Hinzufügung von Wasserstoff, der so genannten Hydrierung, zu Chinolin, einem für die pharmazeutische Produktion wichtigen Molekül, zu lösen, haben Forscher aus China einen hochwirksamen Katalysator entwickelt, der aus synergistischen Nanopartikeln und einzelnen Iridiumatomen besteht. Sie veröffentlichten ihren Ansatz am 22. März in Nano-Forschung.
Synergistischer Iridium-Einzelatome- und -Nanopartikel-Katalysator zeigt beispiellose Aktivität bei der Hydrierung von Chinolin.
Nano Research
"Die selektive Hydrierung von Chinolin und seinen Derivaten zu den entsprechenden Produkten findet breite Anwendung in der Feinchemie und der pharmazeutischen Industrie", sagte der Mitautor Changyan Cao, Forscher am Institut für Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (ICCAS) und der Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (UCAS). "Chinoline sind eine wichtige Verbindungsklasse für den Zugang zu Tetrahydrochinolin-Produkten, die in Medikamentenmolekülen weit verbreitet sind, aber für diese Reaktion werden normalerweise Edelmetallkatalysatoren benötigt. Aufgrund des hohen Preises der Edelmetalle ist es sehr wichtig, deren Aktivität und Nutzungseffizienz zu verbessern."
Die Forscher konzentrierten sich auf Ein-Atom-Katalysatoren, die laut Cao zu einem heißen Thema im Bereich der Katalyse geworden sind, da sie die Vorteile von homogenen und heterogenen Katalysatoren vereinen können. Homogene Katalysatoren fördern eine gleichmäßige Reaktion, während heterogene Katalysatoren eine höhere Reaktionsausbeute ermöglichen. Das Problem besteht laut Cao darin, dass Ein-Atom-Katalysatoren eine Metall-Metall-Bindung fehlt. Ohne diese Bindung wird der Wasserstoff auf einen anderen Weg gezwungen, was zu einer geringeren Gesamthydrierung führt.
"Da Wasserstoff in passenden Paaren auf Edelmetall-Nanopartikeln leichter dissoziiert - zum Beispiel zu Wasserstoffatomen - und es bekannt ist, dass Wasserstoffatome überlaufen, stellten wir die Hypothese auf, dass Wasserstoffatome, die auf Metall-Nanopartikeln gebildet werden, auch zu Metall-Einzelstellen für die Hydrierung wandern könnten", sagte Cao und erklärte, dass die anfängliche Hydrierungsaktivität zwischen dem vorgeschlagenen Katalysator und dem Substrat im Wesentlichen eine sekundäre Phase von Wasserstoffatomen erzeugen würde, die den Katalyseprozess fortsetzen könnte. "Durch ein solches Design könnten die oben genannten Probleme gelöst werden."
Um einen solchen Katalysator zu entwickeln, dispergierten die Forscher einzelne Iridium-Atome - das Edelmetall mit der höchsten gemeldeten intrinsischen Aktivität für die Hydrierung von Chinolin - und Nanopartikel in einem Kohlenstoffträger. Wenn Chinolin eingesetzt wurde, erwies sich die Reaktion als effizienter als wenn nur Iridiumatome oder nur Nanopartikel verwendet wurden.
"Die Konstruktion eines synergistischen Katalysators verändert den Reaktionsweg, um die Vorteile einzelner Atomstellen bei der Aktivierung des Substrats und der Nanopartikel bei der Dissoziation von Wasserstoff zu nutzen", sagte der Mitautor Weiguo Song, Professor am ICCAS und UCAS. "All diese Eigenschaften tragen zusammen zu der deutlich verbesserten Hydrierungsleistung bei, verglichen mit dem Einzelatomkatalysator und dem Nanopartikelkatalysator allein."
Der entwickelte synergistische Katalysator macht Edelmetalle zwar nicht überflüssig, aber er verringert die für eine bessere Reaktion erforderliche Menge.
"Wir haben eine effiziente Strategie zur Steigerung der katalytischen Aktivität für die Hydrierung von Chinolin vorgeschlagen und bestätigt, indem wir einen synergistischen Katalysator aus einzelnen Iridium-Atomen und Nanopartikeln konstruiert haben, der die Aktivitätsbeschränkungen von einatomigen Katalysatoren überwindet", so Song. "Als nächstes werden wir unsere Forschung auf andere Metallkatalysatoren und Hydrierungsreaktionen ausweiten, um die Universalität der synergistischen Katalyse zu demonstrieren.
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