En högvinkel ringformad mörkfältelektronmikrograf av en guld-palladium nanopartikel på ett titanoxidstöd.
(PhysOrg.com) -- Nanopartiklar av guld och palladium (Au-Pd) kan leda till ett mer effektivt och miljövänligt sätt att producera bensylbensoat, en kemisk förening som används allmänt i maten, läkemedels- och kemisk industri vars tillämpningar inkluderar fixeringsmedel för dofter, en livsmedelstillsats och ett lösningsmedel för kemiska reaktioner.
Den vanligaste metoden för att framställa bensylbensoat är att reagera bensoesyra med bensylalkohol. Det kan också genereras från bensaldehyd. Alla tre utgångsmaterialen härrör från toluen, en komponent av råolja. Tillverkningen av bensylalkohol och bensaldehyd kräver användning av halogener och sura lösningsmedel, medan bensoesyra produceras via en mer miljövänlig vätskefas koboltkatalyserad reaktion.
En forskargrupp ledd av Graham Hutchings, professor i kemi vid Cardiff University i Wales i Storbritannien, och Christopher Kiely, professor i materialvetenskap och teknik vid Lehigh, har hittat ett sätt att framställa bensylbensoat direkt från toluen i ett lösningsmedelsfritt, enstegsprocess som använder Au-Pd nanopartiklar för att katalysera reaktionen.
"Genom att optimera Au-Pd-förhållandet i nanopartikeln, såväl som reaktionsbetingelserna, vi kunde uppnå omvandlingsgrader på över 95 procent utan omvandling till koldioxid, ” säger Hutchings.
En högupplöst elektronmikrofotografi av en guld-palladium nanopartikel på ett titanoxidstöd.
Lyser på partikelstorlek och katalytisk aktivitet
Forskarna rapporterade sitt fynd 14 januari in Vetenskap tidningen i en artikel med titeln "Lösningsmedelsfri oxidation av primära kol-vätebindningar i toluen med Au-Pd-legeringsnanopartiklar." Artikeln var medförfattare av Hutchings och Kiely och 10 andra forskare, inklusive Ramchandra Tiruvalam, en Lehigh Ph.D. kandidat som arbetar med Kiely.
Istället för att tillverka katalysatorerna med konventionella stödimpregneringstekniker, forskarna valde en beredningsväg som involverade sol-immobilisering av Au-Pd-kolloider med hjälp av amorft kol och titanoxidstöd. Denna teknik ger mycket större kontroll över partikelstorlek och sammansättning än vad konventionella metoder gör.
Transmissionselektronmikroskopi (TEM) studier utförda av Tiruvalam visade att den genomsnittliga partikelstorleken var mycket lika, 3,3 nanometer på kol och 3,5nm på titanoxid.
"Trots att de har en mycket liknande partikelstorleksfördelning, Au-Pd/kolproverna visade sig ha ungefär dubbelt så hög katalytisk aktivitet som Au-Pd/titanoxidproverna, säger Kiely, som leder Nanocharacterization Laboratory i Lehighs Center for Advanced Materials and Nanotechnology.
"Detta tyder på att enkla överväganden av metallytan inte dominerar den katalytiska aktiviteten."
Att uppnå stabilitet och återanvändbarhet
Genom att använda Lehighs aberrationskorrigerade TEM, Tiruvalam kunde visa att partiklarna verkligen var Au-Pd legeringspartiklar, att de på titanoxiden var mycket facetterade och tenderade att bilda en platt gränsyta med stödet, och att de på kolet var mycket mer rundade.
"Skillnaden i katalytisk aktivitet kan vara relaterad till skillnader i antalet låga koordinationsnummer kant- och hörnplatser tillgängliga, ” förklarar Kiely. "De mer rundade "strävare" partiklarna på kolbäraren har betydligt fler av dessa platser än de plattare partiklarna på titanoxidbäraren."
I en sista uppsättning experiment, forskarna kunde visa att Au-Pd/kol-katalysatorerna inte visade någon aktivitetsförlust efter användning och att det var liten förändring i partikelform och storlek efter längre reaktionsperioder.
"Det är tydligt att dessa mycket aktiva katalysatorer är både stabila och återanvändbara, säger Kiely.
