Forskare tror att pusslet med katalytiskt guld nu delvis är löst. Guld kan katalysera en oxidationsreaktion genom att först oxidera sig själv. Nya forskningsbevis om guldoxidfas vid rumstemperatur och atmosfärstryck hjälper oss att äntligen förstå oxidationsmekanismerna för katalytiska guldnanokluster under dessa förhållanden.

"Detta är avgörande om vi vill designa oxidationskatalysatorer som kan använda omgivande syre i reaktionsprocessen. Katalysatorer som fungerar vid låga temperaturer är betydande när det gäller energieffektivitet i framtiden, " säger akademiforskare Karoliina Honkala vid Nanoscience Center (NSC) vid Jyväskyläs universitet.

Forskarna vid NSC visar nya bevis från beräkningsstudier som stödde nanometerstora guldkluster helt kan bryta O-O-bindningen genom att bilda en ny endimensionell guldoxidfas vid klustrets gräns. Denna mekanism förutspås dominera vid omgivningsförhållanden av ett atmosfärstryck och rumstemperatur.

Studien publicerades i september i Angewandte Chemie , den ledande internationella tidskriften inom kemi. Studien är en del av Karoliina Honkalas akademiforskarprojekt för Finlands Akademi och genomfördes i samarbete med professor Hannu Häkkinen. Beräkningsarbetet underlättades av omfattande resurser från Finlands IT-centrum för vetenskap, CSC.

I studien, forskare exponerade de monolagertjocka guldklustren för ett varierande antal syremolekyler. Det visade sig att till och med en guldkluster effektivt kan adsorbera flera syremolekyler vid klustrets gränser, samtidigt försvagar (sträcker) O-O-bindningen genom att överföra elektroner till syremolekylerna. Med hänsyn till effekterna av temperatur och omgivningstryck, beräkningarna förutspådde att syremolekylerna kommer att dissociera fullständigt och syre- och guldatomerna kommer att bilda endimensionella alternerande kedjor vid klustergränsen (se figur). Syreatomerna i dessa kedjor är negativt och guldatomerna positivt laddade, skapa ett system som påminner om en endimensionell guldoxidkedja. Dessa kedjor förväntas vara den mycket katalytiskt aktiva delen mot omvandling av kolmonoxid till koldioxid vid rumstemperatur.

Forskarna Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen och Karoliina Honkala har studerat monolagertjocka guldkluster med 10-20 atomer, stödd av tunna magnesiumoxidfilmer som odlades på silvermetall. Dessa system kan förberedas experimentellt, och förra året publicerade Jyväskylä-gruppen en gemensam studie med professor Hans-Joachim Freund från Fritz-Haber Institute i Berlin för att karakterisera atomära och elektroniska strukturer av guldkluster i sådana system (se http://prl.aps.org/abstract/ PRL/v102/i20/e206801).

Intensivt experimentellt arbete sedan början av 1980-talet har visat att guldnanopartiklar uppvisar oväntad katalytisk aktivitet mot många industriellt viktiga kemiska reaktioner som involverar aktivering av atombindningar inuti syre- eller kolvätemolekyler. Rumstemperaturbildning av koldioxid (CO ₂ ) från kolmonoxid (CO) och syremolekylen (O ₂ ) är en av de mest studerade processerna. Ett antal olika faktorer har föreslagits bidra till guldpartiklarnas förmåga att aktivera O-O-bindningen, vilket anses vara det viktigaste reaktionssteget.

"Den nu publicerade studien ger oss ett nytt förhållningssätt till problemet. Bildandet av guldoxid, det är, oxidation av guld, strider mot de kända egenskaperna hos makroskopisk guldmetall. På nanometerskalan, dock, allt verkar vara möjligt, " säger professor Häkkinen.