(Phys.org) - Gammalt tänkande var att guld, medan det är bra för smycken, var inte till stor nytta för kemister eftersom det är relativt icke -reaktivt. Det förändrades för ett decennium sedan när forskare drabbades av en rik upplevelse av upptäckter som avslöjade att denna ädelmetall, när de är strukturerade i partiklar i nanometerstorlek, kan påskynda kemiska reaktioner som är viktiga för att mildra miljöföroreningar och producera svårtillverkade specialkemikalier. Katalytiska guld -nanopartiklar har sedan anfört hundratals vetenskapliga tidskriftsartiklar. Med världskatalysatormarknaden på väg att nå 19,5 miljarder dollar 2016, guldnanopartiklar kan ha både kommersiell och intellektuell betydelse, eftersom de i slutändan kan leda till nya katalysatorer för energi, farmakologi och olika konsumentprodukter.

Men innan guld nanopartiklar kan vara användbara för konsumenter, forskare måste göra dem både stabila och aktiva. Nyligen, forskare lärde sig att göra små, högordnade kluster med mycket specifika antal guldatomer som stabiliseras av föreningar som kallas ligander. Dessa stabiliserade guldkluster plus ligander kan ses som stora molekyler. I samarbete med forskare från Carnegie Mellon University, forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har hittat en ny guldmolekyl, en katalysator som innehåller exakt 25 guldatomer, det är både kraftfullt och sofistikerat. Det katalyserar omvandlingen av en mängd olika molekyler, inklusive omvandling av giftig kolmonoxid till ofarlig koldioxid, en reaktion som kan hitta tillämpning i apparater nära gasrök eller vedeldade spisar. Tyvärr, liganderna som skapar och stabiliserar de konstruerade klustren blockerar också de platser som behövs för att katalysera omvandlingen av kolmonoxid till koldioxid.

"Liganderna är tvåkantade svärd, "sa studieledaren Zili Wu från ORNL, vars undersökning genomfördes i ORNLs katalysgrupp, som leds av Steve Overbury. "Vi är intresserade av att använda guldkluster som katalysatorer eller katalysatorprekursorer. Ligander å ena sidan stabiliserar guldpartikelstrukturen men å andra sidan minskar deras katalytiska prestanda. Att balansera dessa två faktorer är nyckeln till att skapa ett nytt katalytiskt system. En sättet är att använda en metalloxid (här, ceriumoxid) som en oorganisk ligand för att stabilisera guldklustren när den organiska liganden måste avlägsnas för katalys. "

Många katalytiska system består av metallpartiklar med katalytiska egenskaper placerade på ett metalloxidunderlag med egna katalytiska egenskaper. Metallen och metalloxiden arbetar tillsammans för att skapa en ny typ av katalytisk aktivitet. "Vi försöker förstå hur det händer, "Sa Wu.

Deras studie, publicerad i Journal of the American Chemical Society , beskrev hur ligander möjliggjorde guldnanokluster för att docka på ett ceriumoxidstöd format som en stav. Katalysatorerna som producerades var alla identiska. Forskarna skulle vilja konstruera framtida oxidstöd i form av kuber eller oktaeder för att ta reda på hur dessa nanostrukturer kan förändra guldets konfiguration och reaktiviteten hos det slutliga komponentsystemet. Bättre förståelse av stabiliseringsmedel kan underlätta utformningen av nya katalysatorer för kritiska kemiska reaktioner inklusive oxidation, hydrering och koppling.

Carnegie Mellon professor Rongchao Jin, hans student Chenjie Zeng och ORNL postdoktorer Amanda Mann och Zhen-An Qiao syntetiserade guldklusterna. Mann tillverkade ceriumoxidstavarna. Wu och Mann placerade guldklustren på stöden och utförde kemiska reaktionsstudier. David Mullins från ORNL utförde mätningar av förlängd röntgenabsorberingsfinstruktur för att lära sig hur storleken på kluster förändras med temperaturen. ORNL:s Larry Allard verifierade strukturen med aberrationskorrigerad mikroskopi, och De-en Jiang, tidigare från ORNL men nu vid University of California – Riverside, använde Oak Ridge Institutional Cluster för att beräkningsmässigt utforska strukturer av ligandbundna guldkluster.

Aktiverar guld

"Dessa ligander påverkar reaktiviteten - de förgiftar i huvudsak guldytan - så guldet måste verkligen aktiveras, "Overbury, studiens seniorförfattare, förklarade. "Vi satte guldet på ett stöd, och den har dessa ligander som skyddar den. Vi måste ta bort dessa ligander, så vi värmer i princip upp denna [guldnanokluster] eller behandlar den i lite gas till förhöjda temperaturer. "

När guldklungorna värms upp, liganderna börjar lossna och guldets katalytiska aktivitet ökar. The optimal temperature for producing gold nanocluster catalysts for carbon monoxide oxidation is 498 Kelvin (225 degrees Celsius or 437 degrees Fahrenheit), Wu sa. If heating increases further, catalytic activity decreases because the gold particles become fluid and aggregate on the support.

Next the scientists are interested in varying the gold-cluster size and stabilizing the new clusters to make novel uniform catalysts. "We want to understand how other kinds of reactions can be catalyzed by these. So far we've only looked at carbon monoxide oxidation, which is kind of a test reaction, " Overbury said. "Our primary interest is using the gold-nanocluster complex as a toolbox for learning about how other complex reactions occur."

Added Overbury, "We're only just starting to mine all the catalytic possibilities for gold."

DOE's Office of Science sponsored the research described in the Journal of the American Chemical Society papper. Raman and Fourier transform infrared spectroscopies and catalytic measurements were conducted at the Center for Nanophase Materials Sciences, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. Extended X-ray absorption fine structure work was performed at the National Synchrotron Light Source, which is also a DOE Office of Science User Facility, at Brookhaven National Laboratory.