Metallische Nanopartikel eröffnen einen weiteren Weg zu umweltfreundlichen Katalysatoren
Platincluster aus 19 Atomen führen zu einer 50-mal höheren katalytischen Aktivität
Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology produzierten subnano-große Metallpartikel, die als Katalysatoren für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen sehr effektiv sind. Diese Katalysatoren können bis zu 50 mal effektiver sein als bekannte Au-Pd-Bimetall-Nanokatalysatoren.
Jedes Dendrimer-Molekül beherbergt ein subnanogroßes Metallpartikel, das die Oxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen wie Toluol (links) ermöglicht, um nützliche organische Verbindungen wie Benzoesäure (rechts) herzustellen. Sauerstoffmoleküle sind rot dargestellt.
Angewandte Chemie
Die größeren Nanokatalysatoren und oxophilen SNCs werden auf ihrer Oberfläche oxidiert, was sie als Katalysatoren für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen mit der Zeit weniger effektiv macht. Weniger oxophile SNCs sind jedoch sehr effektive und wiederverwendbare Katalysatoren.
Angewandte Chemie
(a) Weniger oxophiles Platin war bei der aeroben Toluoloxidation anderen Edelmetallen überlegen. (b) Die Pt19 SNC hatten die höchste katalytische Leistung unter den anderen Pt-SNCs mit 12 bis 28 Atomen.
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Die Oxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung einer Vielzahl nützlicher organischer Verbindungen, die in allen Arten von Industrien eingesetzt werden. Diese Oxidationsprozesse erfordern den Einsatz von Katalysatoren und Lösungsmitteln, die in der Regel umweltgefährdend sind. So hat die Suche nach einem lösungsmittelfreien Oxidationsprozess mit nanoskaligen katalytischen Partikeln große Aufmerksamkeit erregt. Interessanterweise sind sub-nanoskalige katalytische Partikel (Subnanokatalysatoren oder SNCs), die aus Edelmetallen bestehen, bei ihrer Arbeit noch besser, da ihre vergrößerte Oberfläche und ihr einzigartiger elektronischer Zustand günstige Auswirkungen auf die Oxidation von Kohlenwasserstoffen haben und sie auch verhindern, dass sie selbst oxidiert werden. Dies macht sie kostengünstig, da die für SNCs benötigte Metallmenge geringer ist als bei Katalysatoren in Nanogröße.
Ein Team bestehend aus Dr. Miftakhul Huda, Keigo Minamisawa, Dr. Takamasa Tsukamoto und Dr. Makoto Tanabe vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Prof. Kimihisa Yamamamoto entwickelte mehrere Arten von SNCs unter Verwendung von Dendrimeren, die baumartige kugelförmige Moleküle sind, die als Vorlage für die gewünschten Katalysatoren verwendet werden können. "Das Dendrimer soll interne Nanoräume bereitstellen, die für die katalytische Umwandlung in Gegenwart von Metallpartikeln geeignet sein könnten", erklärt Yamamoto.
Das Team entwickelte verschiedene Katalysatoren unterschiedlicher Größe, abhängig vom verwendeten Edelmetall und der Anzahl der Atome der einzelnen katalytischen Partikel. Sie verglichen ihre Leistung, um das beste Edelmetall für die Herstellung von SNCs zu finden, und versuchten dann, den Mechanismus hinter ihrer hohen katalytischen Aktivität zu bestimmen. Kleinere SNCs erwiesen sich als besser, während weniger oxophile Metalle (wie Platin) überragend waren. Das Team postulierte, dass die Oberfläche von Platin-SNCs nicht leicht oxidiert, was sie wiederverwendbar macht und zu der höchsten katalytischen Leistung der Pt19 SNC führt, die bis zu 50 mal effektiver sein kann als die herkömmlichen Au-Pd-Nanokatalysatoren. Das Team wird weiterhin daran arbeiten, Licht in diese katalytischen Phänomene zu bringen. "Die Entwicklung eines detaillierteren Mechanismus mit theoretischen Überlegungen ist derzeit im Gange", sagt Tanabe. Die Anwendungen solcher Katalysatoren könnten erheblich dazu beitragen, die Umweltverschmutzung zu reduzieren und unsere effektive Nutzung der Metallressourcen der Erde zu verbessern.
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