Så sent som för tjugofem år sedan, kemister ansåg guld vara ett av de mest inerta metalliska elementen, tills upptäckten att dispersioner av guld i nanoskala hade hög katalytisk aktivitet tvingade till att tänka om gamla principer. Forskare fann snart att guldnanopartiklar kunde främja många industriellt viktiga reaktioner, såsom avlägsnande av skadlig kolmonoxidgas från utsläppsströmmar. Medan fördelarna med nanoskala guld är välbevisade, att förbereda materialet i en hållbar och återanvändbar form är fortfarande en betydande utmaning som begränsar dess användning av tillverkare.

Arbete från Ming-Yong Han-teamen vid Institute of Materials Research and Engineering och Yong-Wei Zhang från Institute of High Performance Computing båda på A*STAR har avslöjat att stabiliteten hos guld-nanopartikelkatalysatorer kan förbättras genom att belägga dem med skyddande titania (TiO2) lager. Tänkt av medförfattare Zhi Wei Seh, en A*STAR National Science Scholar, denna nya teknik producerar så kallade Janus-nanostrukturer som behåller nästan all katalytisk aktivitet hos nanopartiklar utan guld utan att drabbas av irreversibel aggregering som minskar reaktiviteten hos de senare.

Uppkallad efter den tvillingfasade romerska guden för början och övergången, Janus nanostrukturer sammanfogar två eller flera lika stora komponenter genom mycket små korsningar-ett arrangemang som maximerar den aktiva ytarean för varje ämne. De fördelaktiga effekterna av att para ihop guldnanopartiklar med titania är välkända, men tills arbetet av A*STAR -forskare, en detaljerad förståelse av den mekanism genom vilken dessa två arter smälter samman hade visat sig gäckande.

Han och medarbetare använde en okonventionell kelaterande förening som kallas titandiisopropoxid bis (acetylacetonat) för att kärnbilda tillväxten av TiO2 på guld i extremt långsamma hastigheter. Genom att noggrant kontrollera tillsatsen av detta reagens till stav- och sfäriskt formade guldnanopartiklar, forskarna observerade tre distinkta nanostrukturer (se bild):en Janus -geometri; en delvis inkapslande 'excentrisk' geometri; och ett "koncentriskt" kärnskalarrangemang.

Katalytiska experiment avslöjade att reaktiviteten och hållbarheten hos Janus-strukturer av guldtitania har unika fördelar jämfört med andra nanopartiklar. På grund av den exponerade naturen hos deras guldytor, den förra katalyserar minskningen av molekylen 4-nitrofenol med mycket snabbare hastigheter än excentriska och koncentriska nanopartiklar vars guldytor är mer begränsade. Vidare, den skyddande TiO2 -beläggningen av hybridkatalysatorerna gjorde att de kunde återanvändas upprepade gånger med liten förlust av aktivitet. I kontrast, nanopartiklar av bara guld som agglomererades till oreaktiva klumpar efter bara fem användningscykler.

Ytterligare teoretiska undersökningar av teamet avslöjade att bildandet av Janus nanostrukturer som den energiskt stabila arten främjas genom tillsats av mindre volymer av titanprekursorn - ett fynd som kan hjälpa forskarna att generera andra metalloxidhybrider för katalytiska tillämpningar i närheten framtida.