På grund av deras ringa storlek, nanopartiklar hittar olika tillämpningar inom områden som sträcker sig från medicin till elektronik. Deras ringa storlek ger dem en hög reaktivitet och halvledande egenskap som inte finns i bulktillstånden. Subnanopartiklar (SNP) har en extremt liten diameter på cirka 1 nm, vilket gör dem ännu mindre än nanopartiklar. Nästan alla atomer av SNP är tillgängliga och exponerade för reaktioner, och därför, SNP förväntas ha extraordinära funktioner utöver egenskaperna hos nanopartiklar, särskilt som katalysatorer för industriella reaktioner. Dock, beredning av SNP kräver fin kontroll av storleken och sammansättningen av varje partikel på en subnanometerskala, gör tillämpningen av konventionella produktionsmetoder nästan omöjlig.

För att övervinna detta, forskare vid Tokyo Institute of Technology ledd av Dr. Takamasa Tsukamoto och Prof. Kimihisa Yamamoto utvecklade tidigare atomhybridiseringsmetoden (AHM) som överträffar de tidigare försöken med SNP-syntes. Genom att använda denna teknik, det är möjligt att exakt kontrollera och variera storleken och sammansättningen av SNP med hjälp av en "makromolekylär mall" som kallas fenylazometin-dendrimer. Detta förbättrar deras katalytiska aktivitet än NP-katalysatorerna.

Nu, i deras senaste studie publicerad i Angewandte Chemie International Edition , teamet har tagit sin forskning ett steg längre och har undersökt den kemiska reaktiviteten hos legerings-SNP erhållna genom AHM. "Vi skapade monometallic, bimetallisk, och trimetalliska SNP:er (innehållande en, kombination av två, och kombination av tre metaller respektive), alla sammansatta av myntmetallelement (koppar, silver, och guld), och testade var och en för att se hur bra en katalysator var och en av dem är, " rapporterar Dr. Tsukamoto. Deras katalytiska aktivitet testades i oxidationsreaktionen av olefiner, föreningar som består av väte och kol med bred industriell användning.

Till skillnad från motsvarande nanopartiklar, de skapade SNP:erna visade sig vara stabila och mer effektiva. Dessutom, SNP:er visade en hög katalytisk prestanda även under de mildare förhållandena, i direkt kontrast till konventionella katalysatorer. Monometallisk, bimetallisk, och trimetalliska SNP:er visade bildandet av olika produkter, och denna hybridisering eller kombination av metaller verkade visa en högre omsättningsfrekvens (TOF). Den trimetalliska kombinationen "Au ₄ Ag ₈ Cu ₁₆ " visade den högsta TOF eftersom varje metallelement spelar en unik roll, och dessa effekter samverkar för att bidra till hög reaktionsaktivitet.

Vidare, SNP skapade selektivt hydroperoxid, vilket är en högenergiförening som normalt inte kan erhållas på grund av instabilitet (se figur 2). Milda reaktioner utan hög temperatur och tryck realiserade i SNP-katalysatorer resulterade i stabil bildning av hydroperoxid genom att undertrycka dess sönderdelning.

På frågan om relevansen av dessa fynd, Prof Yamamoto säger:"Vi demonstrerar för första gången någonsin, att olefinhydroperoxygenering kan katalyseras under extremt milda förhållanden med användning av metallpartiklar i kvantstorleksområdet. Reaktiviteten förbättrades avsevärt i de legerade systemen, särskilt för de trimetalliska kombinationerna, som inte har studerats tidigare."

Teamet betonade att på grund av den extrema miniatyriseringen av strukturerna och hybridiseringen av olika element, myntmetallerna fick en tillräckligt hög reaktivitet för att katalysera oxidationen även under det milda tillståndet. Dessa fynd kommer att visa sig vara en banbrytande nyckel i upptäckten av innovativa sub-nanomaterial från en mängd olika element och kan lösa energikriser och miljöproblem under de kommande åren.