Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory, i samarbete med DOE:s Ames Laboratory, har rapporterat en viktig och oväntad reaktionsmekanism - kallad "redoxbeteende" - på ytan av katalysatorbärarmaterial som kan användas i den kemiska industrin.

De flesta industriella katalysatorer är förankrade till metalloxidbärare som kiseldioxid, aluminiumoxid eller zirkoniumoxid. Nyligen, sulfaterade metalloxider har dykt upp som ett lovande stödmaterial för kolinnehållande metalliska ("metallorganiska") katalytiska komplex. De lovar också katalytiska material i sin egen rätt, med tillämpning på kemiska processer inom den petrokemiska industrin.

Genom att använda en kombination av teoretiska beräkningar och mätningar med avancerade analytiska tekniker, forskargruppen undersökte interaktionerna mellan en organometallisk iridiumkatalysator och stödmaterial bestående av sulfaterad aluminiumoxid och sulfaterad zirkoniumoxid. Dessa interaktioner ägde rum under en katalytisk reaktion som främjades av organo-iridiumspecies med bärarmaterialen.

Tack vare tidigare forskning, forskare hade varit medvetna om en katalysväg som involverar donation av protoner från de sulfaterade metalloxiderna. Forskargruppen upptäckte en andra väg, en redoxreaktion som involverar acceptans av elektroner från det organometalliska komplexet på den sulfaterade metalloxidytan. De upptäckte också att vissa platser på den sulfaterade metalloxidytan som hade protondonerat kunde omvandlas till elektronaccepterande platser, därigenom ändrar den organometalliska katalysatorns kemiska beteende.

Argonne kemisten Max Delferro, en författare till studien, kommenterade att "i denna redoxmekanism, vårt material tar sin vanliga kemiska rutin och vänder den på huvudet – istället för att ge upp en proton, den får en elektron."

Uppkomsten av väteisotopen deuterium i det organometalliska komplexet signalerade förekomsten av en redoxreaktion som inte tidigare rapporterats. Dessutom, forskarna fann att både ythydrering och sulfatbelastning i stödmaterialet spelar en nyckelroll i redoxprocessen.

Enligt Delferro, forskningen ger insikter till katalysgemenskapen om potentialen för liknande mekanismer att utgöra en viktig del av katalytiska relationer, inklusive de där stödytor fungerar som sin egen katalysator. "Denna observation ger ett principbevis på att en viktig uppsättning reaktioner sker och bör inte ignoreras, " sa Argonne postdoktorn David Kaphan, en annan författare till studien.

Studien, med titeln "Bevis för redoxmekanismer i organometallisk kemisorption och reaktivitet på sulfaterade metalloxider, " dök upp i onlinenumret den 9 april av Journal of the American Chemical Society .