Forskare vid Nanoscience Center (NSC) vid Jyväskylä universitet, Finland, och Xiamen University, Kina, har upptäckt hur kopparpartiklar på nanometerskala fungerar för att modifiera en kol-syrebindning när ketonmolekyler förvandlas till alkoholmolekyler. Modifiering av kol-syre- och kol-kol-bindningarna som finns i organiska molekyler är ett viktigt mellanstadium i katalytiska reaktioner där källmaterialet omvandlas till värdefulla slutprodukter.

Att förstå driften av katalysatorer på nivån av atomstrukturen för en enda partikel gör det möjligt att utveckla katalysatorer med önskade egenskaper, som att göra dem effektiva och selektiva för en specifik slutprodukt. Studien publicerades i ACS Nano . I Finland, studien leddes av akademiprofessor Hannu Häkkinen.

De katalytiska kopparpartiklarna som användes i studien gjordes och karakteriserades strukturellt vid Xiamen University, och deras funktion för att förändra en stark kol-syrebindning i en hydreringsreaktion studerades av forskarna vid Nanoscience Center (NSC) vid universitetet i Jyväskylä i datorsimuleringar. Den exakta atomstrukturen av kopparpartiklarna bestämdes genom röntgendiffraktion och kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi. Partiklarna visade sig innehålla 25 kopparatomer och tio väten, och det fanns 18 tioler som skyddade partikelns yta. Medan det experimentella arbetet i Xiamen avslöjade dess utmärkta prestanda vid katalytisk hydrogenering av ketoner, simuleringarna förutspådde att väten bundna till partikelns kopparkärna fungerar som vätelagring, som frigör två väteatomer till kol-syrebindningen under en reaktion. Vätgasförrådet fylls på igen efter reaktionen, när en vätemolekyl kopplad till partikeln från dess omgivning delas i två väteatomer, som åter är bundna till kopparkärnan (se bild). NMR-mätningarna som utfördes i Xiamen avslöjade en mellanprodukt av reaktionen, vilket bekräftade beräkningsmodellens förutsägelser.

"Detta är en av de första gångerna som det har varit möjligt att upptäcka hur en katalytisk partikel fungerar när dess struktur är känd så här exakt, tack vare ett samarbete som involverar både experiment och simuleringar, " säger akademiprofessor Hannu Häkkinen från Jyväskylä universitet, som ledde den beräkningsmässiga delen av studien.

Häkkinens samarbetspartner, Karoliina Honkala, professor i beräkningskatalys, säger, "Traditionellt, dyra platinabaserade katalysatorer används i hydreringsreaktioner. Denna studie visar att kopparhydridpartiklar i nanoskala också fungerar som hydreringskatalysatorer. Resultaten ger hopp om att i framtiden, det kommer att vara möjligt att utveckla effektiva och billiga kopparbaserade katalysatorer för att omvandla funktionaliserade organiska molekyler till produkter med ett högre mervärde."