Att tillverka kemikalier för industriella processer kräver ofta att forskare använder en katalysator - ett ämne som påskyndar en kemisk reaktion, minska mängden energi som krävs för att tillverka olika produkter.

Forskare har länge övervägt palladium, en ädelmetall nära besläktad med platina, en stjärnkatalysator på grund av sin mycket aktiva natur. Dock, eftersom palladium är så dyrt, forskare har letat efter sätt att ersätta en annan metall för majoriteten av palladiumet som ingår i vissa katalysatorer.

I en ny studie från U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och University of California i Santa Barbara, forskare har identifierat en annan elementär aktör som hjälper till att aktivera palladium samtidigt som den minskar mängden ädelmetall som behövs för att reaktioner ska inträffa.

Genom att kombinera en mindre mängd palladium med nickel på en järnnanopartikelbildning, en forskargrupp ledd av Argonne-kemisten Max Delferro och hans kollega Bruce Lipshutz, en kemiprofessor vid University of California-Santa Barbara, designade ett billigt och effektivt system som reducerade nitroarylgrupper till aminer, en kemisk grupp viktig inom jordbrukskemikalier och läkemedelsindustrin.

"Även om denna reduktionsväg är välkänd och det har funnits olika metoder för att göra detta tidigare, ett av de största problemen är att katalysatorerna inte är tillräckligt selektiva, " sa Delferro. "Palladium är en mycket selektiv metall, men vi måste använda en liten mängd för att bibehålla både dess höga selektivitet och dess höga aktivitet."

I deras försök att "sträcka palladium så långt det skulle gå, " Delferro och Lipshutz spred palladium på järnnanopartiklarna på ett sätt som maximerade antalet aktiva platser där palladiumatomerna kunde interagera med nitroarylgrupper.

Utan nickel, dessa små palladiumkluster tenderar att klumpas ihop, förlorar tillgänglig yta och, som en konsekvens, aktiva webbplatser. Nickeln, dock, förhindrar de dyrbara palladiumklustren från att binda till varandra, hålla dem mycket spridda.

"Du kan tänka på det som att ha magneter i en sandlåda, " sa Delferro. "När sandlådan är tom, om du skakar sandlådan, magneterna tenderar att samlas. Men om det finns sand i sandlådan, magneterna kommer att förbli fast och kan inte flytta till varandra."

För att faktiskt observera arrangemanget, Delferro och hans team använde Argonnes Advanced Photon Source, en DOE Office of Science User Facility. I deras experiment, Argonne-forskarna övervakade katalysatorn under faktiska reaktionsförhållanden och observerade palladiumklumpning i versionen av katalysatorn som inte innehöll nickel.

I versioner av katalysatorn som innehöll nickel, dessa klumpande interaktioner hände inte, och palladium förblev dispergerat.

Resultaten av studien härrör från ett samarbete mellan Novartis, som initierade projektet; University of California-Santa Barbara, institutionen som syntetiserade katalysatorn; och Argonne, som kännetecknade det vid APS. Dessa resultat rapporteras i en artikel publicerad den 8 december i Grön kemi , med titeln "Synergistiska effekter i Fe-nanopartiklar dopade med ppm-nivåer av (Pd + Ni). En ny katalysator för hållbar minskning av nitrogrupper."