De viktigaste komponenterna i petroleum och naturgas är kolväten och deras blandningar, oumbärlig som resurser som stödjer modern infrastruktur som råvara för den petrokemiska industrin. En teknik som konventionellt används för att skapa nyttiga kemiska produkter från kolväten är att använda en stor mängd metallperoxider i farliga organiska lösningsmedel för att oxidera kolväteföreningar.
Att använda resurser effektivt och minska miljöpåverkan, ren katalytisk oxidation utan lösningsmedel med hjälp av syre i luften har varit ett populärt forskningsämne de senaste åren. Forskning av nanopartiklar av ädelmetall som stöds på porösa kolmaterial eller metalloxider är särskilt utbredd, och de ses som lovande katalysatorer. Vitala element som bestämmer reaktiviteten hos sådana heterogena katalysatorer är formen, storlek, och metallisk sammansättning av de metalliska nanopartiklarna. Partiklar mindre än 2 nm är viktiga för nya högpresterande katalysatorer, eftersom minskning av diametern på katalysatorpartikeln inte bara ökar ytareaförhållandet utan i hög grad förändrar tillståndet hos elektronerna på metallernas yta, i sin tur ändrar reaktiviteten kraftigt. Dock, Att hitta en metod för att syntetisera dessa små metalliska nanopartiklar samtidigt som man kontrollerar både diametern och sammansättningen är utmanande.
Översikt
Forskargruppen ledd av Kimihisa Yamamoto från Tokyo Institute of Technology utvecklade en metod för att syntetisera mikroskopiska legeringsnanopartiklar med hjälp av grenade molekylära dendrimerer som utvecklats i Yamamoto Atom Hybrid Project inom ERATO-programmet. Molekyler som kallas dendrimerer har en regelbunden grenstruktur med endast en bestämd molekylvikt, även om de klassificeras som makromolekyler. Forskargruppen implementerade många koordinationsplatser för att bilda metalljoner och komplex. Genom att använda en dendrimer med sådana koordinationsställen som mall för nanopartikeln, gruppen kunde syntetisera en nanopartikel med ett kontrollerat antal atomer.
Ytterligare, de utvärderade aktiviteten hos denna legeringsnanopartikel som en oxidationskatalysator för kolväten under vanliga tryck när man använder syre i luften som oxidationsmedel. De fann att dess aktivitet var 24 gånger större än den för kommersiellt tillgängliga katalysatorer för oxidation av organiska föreningar. De fann också att genom att tillsätta en katalytisk mängd organisk hydroperoxid, denna katalysator främjar oxidationen av kolväten till aldehyder och ketoner under vanliga temperaturer och tryck. Ytterligare, genom att jämföra förändringarna i aktivitet på grund av legeringskatalysatorer av olika metallsammansättningar och undersöka sammansättningen och andra egenskaper hos mellanprodukterna, ketoner och organiska hydroperoxider, gruppen kunde observera processen för reaktionsfrämjande på grund av legeringen av katalysatorn.
Framtida utveckling
Kunskapen från denna forskning skulle kunna bidra till att utforma riktlinjer för nya högpresterande katalysatorer. Metoden för att syntetisera legerade nanopartiklar som utvecklats i denna forskning kan användas generellt och tillämpas på andra metaller. Av denna anledning, detta kan vara tekniken som avslöjar reaktiviteten hos andra mikroskopiska legeringsnanopartiklar. Ytterligare studier krävs om ökningen av katalytisk aktivitet vid gränsytan mellan koppar och andra ädelmetaller i oxiderande omvandlingar av andra organiska föreningar, inte bara oxidation av kolväten. Ansökan förväntas för nästa generations högpresterande material inom så olika områden som optik, elektronik, och energi.
