En RUDN-kemist har utvecklat en ny metod för att syntetisera "yolk-shell" nanopartiklar på basis av titandioxid och grafen. Den komplexa strukturen hos de nya partiklarna gjorde det möjligt för forskarna att utföra en selektiv oxidation för aldehydproduktion under många timmar utan att några biprodukter bildades. Forskningen publicerades i Tillämpad katalys B:Miljömässig .

Denna typ av reaktion används för att producera aldehyder - kemiska föreningar som används vid tillverkning av många läkemedel och vitaminer. I regel, aldehyder erhålls från aromatiska alkoholer med hjälp av ofta giftiga metalloxider vid höga temperaturer. Fotokatalytiska reaktioner är mer miljövänliga men inte tillräckligt selektiva - aldehyderna som produceras av processen kommer också att börja oxidera, för, och många biprodukter bildas. RUDN-kemister lyckades lösa detta problem genom att använda nanokatalysatorer med en ovanlig struktur.

Partiklarna av denna typ har ett gap mellan sin kärna ("äggulan") och det yttre skalet. Kemisterna syntetiserade strukturer av detta slag från titandioxid som är känt för sina fotokatalytiska egenskaper, och tillsatte sedan grafen på skalets yta. Den plana ytan och optiska egenskaperna hos detta tvådimensionella material förstärker den katalytiska aktiviteten hos titandioxid på olika sätt. De tillåter reagens som aromatiska alkoholer att enkelt infiltrera partiklarna, bredda spektrumet av ljus som absorberas av varje partikel, och förbättra laddningsöverföringen i materialet. Reaktionen mellan titandioxid och dess grafenhölje ger ytterligare egenskaper hos den nya katalysatorn.

Bindningen mellan titandioxid och grafen i experimentet tillhandahölls av kvävehaltiga föreningar (aminer). Nanopartiklar visade hög selektivitet:99 procent av aromatiska alkoholer i dessa reaktioner förvandlades till aldehyder, och denna produktivitetsnivå kvarstod under 12 timmars reaktion. Inga biprodukter bildas under reaktionens gång under påverkan av synligt ljus, dvs. ingen peroxidation ägde rum.

RUDN-kemisterna tror att detta beror på egenskaperna hos nanostrukturerna som praktiskt taget är nanoreaktorer. Ljuset penetrerar strukturen och reflekteras och sprids inom dem och påverkar molekylerna av organiska reagenser som ackumuleras mellan "skalet" och "äggulan". Aldehyder som erhålls under en sådan reaktion är relativt hydrofoba, medan "äggulan" från titandioxid är hydrofil. Sådana ämnen återhämtar sig, och därför är aldehyderna snabba att lämna nanoreaktorn. Det är därför det inte finns någon överoxidation.

"Detta är en annan del av våra studier om design av avancerad fotokatalytisk nanomaterialforskning, säger Rafael Luque, chef för Center for Molecular Design and Synthesis of Innovative Compounds for Medicine, och gästforskare vid RUDN. "Nanostrukturerna visade utmärkt fotokatalytisk aktivitet, men ännu viktigare, aldehyden erhölls fortfarande som en enda oxidationsprodukt efter 12 timmar efter dess start, ganska aldrig tidigare skådat i litteraturen. Materialen var också mycket stabila och återanvändbara. Just nu studerar vi deras nya fastigheter, inklusive förmågan att sönderdela föroreningar under synligt ljus."