Suzuki-korskopplingsreaktionen är en allmänt använd teknik för att kombinera organiska föreningar och syntetisera komplexa kemikalier för industriella eller farmaceutiska tillämpningar. Processen kräver användning av palladium (Pd) katalysatorer och, från och med idag, två huvudtyper av Pd-baserade material används i praktiken som heterogena katalysatorer.

Den första är "metallladdade katalysatorer, " som består av Pd-atomer (aktiva platser) laddade på inerta underlag gjorda av oxider eller kolbaserade material. De är lätta att förbereda och erbjuder en stor yta med aktiva platser där Suzuki-reaktionen kan inträffa. dessa katalysatorer bryts ned snabbt vid användning eftersom de aktiva ställena aggregerar/lösgörs från bäraren. Den andra typen är "intermetalliska katalysatorer" - molekyler gjorda av Pd och en annan metall. Även om det är mycket mer stabilt och effektivt under milda förhållanden, dessa katalysatorer utnyttjar dåligt de höga kvantiteter av Pd som krävs eftersom få aktiva ställen faktiskt hamnar i att exponeras för reaktionsmediet. Men vad händer om båda typerna av katalysatorer kombinerades för att övervinna sina inneboende begränsningar?

I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS-katalys , ett team av forskare från Tokyo Tech, Japan, kom på en ny idé för en heterogen katalysator. De valde nanoporös zirkoniumkarbid (ZrC) som stödet på vilket de odlade ZrPd ₃ nanopartiklar, som fungerar som en intermetallisk katalysator. Eftersom både stödet och den aktiva föreningen har samma grundämne (Zr), den kemiska framställningen av katalysatorn är anmärkningsvärt enkel. De övergripande fördelarna, dessutom, gå långt utöver det.

Först, den nya Pd-ZrC-katalysatorn är mycket stabil eftersom aktiva platser (ZrPd ₃ ) förankras på det nanoporösa ZrC-stödet. Denna starka interaktion mellan ZrPd ₃ och ZrC hjälper till att förbättra den övergripande katalytiska stabiliteten, möjliggör återanvändning av Pd-ZrC-katalysatorn i mer än 15 cykler. Dessutom, de exponerade Pd-ställena klumpar sig inte ihop och sprids genom stödet, realisera en mycket större effektiv yta än enbart intermetalliska katalysatorer. Den snygga distributionen av ZrPd ₃ över ytan av bäraren betyder också att en mindre mängd palladium behövs för samma antal aktiva platser jämfört med andra intermetalliska katalysatorer - ett mått som kallas Pd-atomekonomi.

Det kanske viktigaste är det faktum att dessa fördelar kommer utan några begränsningar; den faktiska prestandan, dvs omsättningsfrekvens, av den nya katalysatorn är högre än för kommersiellt tillgängliga föreningar. Professor Hideo Hosono, som ledde studien, förklarar:"Eftersom Pd-ZrC har både negativt laddad Pd och en stark elektrondonationsförmåga, vår katalysator uppnådde hög katalytisk prestanda för Suzuki-korskopplingsreaktionen även vid rumstemperatur."

Övergripande, resultaten av både teoretiska och experimentella analyser som utförts av teamet av forskare bekräftar att deras strategi är mycket lovande för utvecklingen av framtida katalysatorer, som Prof Hosono anmärker:"Våra observationer har bevisat effektiviteten av att kombinera intermetalliska katalysatorer med stöd för att förbättra flera aspekter samtidigt, visar att vi kan öka frihetsgraderna i utformningen av heterogena katalysatorer."

Att förbättra katalysatorer är ett praktiskt sätt att minska de ekonomiska och miljömässiga kostnaderna i samband med syntesen av komplexa kemikalier. Bara tiden kommer att utvisa hur många nya katalysatordesigner som är inspirerade av den strategi som antagits i denna studie.