Föreslagna reaktionsvägar för Suzuki-korskopplingsprocessen. Kreditera: Naturkommunikation
En grupp materialforskare vid Tokyo Institute of Technology har visat att en palladiumbaserad intermetallisk elektrid, Y 3 Pd 2 , kan förbättra effektiviteten av kol-kol-korskopplingsreaktioner. Deras resultat pekar på vägen till en mer hållbar värld genom katalys.
Forskare vid Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) har utvecklat ett elektridmaterial som består av yttrium och palladium (Y 3 Pd 2 ) som en katalysator för Suzuki-korskopplingsreaktioner. Dessa reaktioner är bland de mest använda för bildning av kol-kolbindningar inom organisk och medicinsk kemi.
Y 3 Pd 2 förutspåddes vara en effektiv elektrid baserat på teoretiska beräkningar, förklarar Tian-Nan Ye, en biträdande professor vid Tokyo Techs Material Research Center for Element Strategy och första författare till studien publicerad i Naturkommunikation . "I en elektrid, anjoniska elektroner fångas i interstitiala platser och är vanligtvis värd för en stark elektrondonationseffekt, " säger han. "Denna funktion motiverade oss att använda Y 3 Pd 2 som en Suzuki-kopplingsreaktionskatalysator eftersom reaktionsbarriären för det hastighetsbestämmande steget kan undertryckas genom elektronöverföring från elektroden till substraten."
I labbtester, den katalytiska aktiviteten av Y 3 Pd 2 visade sig vara tio gånger högre än vad som uppnås med en ren Pd-katalysator, och aktiveringsenergin minskade med 35 %.
Vad gör Y 3 Pd 2 så effektivt och stabilt är det framgångsrika införlivandet av aktiva Pd-atomer i ett intermetalliskt elektridgitter. "De stabiliserade Pd-aktiva platserna i vårt kristallina gitter löser problemen med aggregering och urlakning som ofta har förekommit i andra system som hittills rapporterats, " säger Ye. "Detta gör vår katalysator extremt robust och stabil för långvarig användning, utan avaktivering."
Återanvändbarheten av katalysatorn (upp till 20 cykler) och den relativa lätthet med vilken Pd-atomer kan återvinnas representerar ett viktigt steg för att uppnå större hållbarhet i den kemiska industrin.
Idén att kombinera yttrium och palladium väcktes av Jens Kehlet Nørskovs arbete, nu vid Stanford University, säger Ye. År 2009, Nørskov och medarbetare publicerade banbrytande rön om katalysatorer gjorda av platina legerade med tidiga övergångsmetaller, inklusive yttrium. Sedan dess, många grupper har undersökt nya kombinationer av intermetalliska föreningar (som består av en sällsynt jordartsmetall och en aktiv övergångsmetall), med målet att utveckla mycket effektivare katalysatorer för den kemiska industrin.
Genom en serie beräkningar och experimentella studier, Ye och hans team visade att Y 3 Pd 2 har en stark elektrondonerande effekt förknippad med en låg arbetsfunktion och hög bärartäthet - egenskaper som gör att katalysatorn kan arbeta med en mycket lägre aktiveringsenergi än den för en ren Pd-katalysator.
En återstående utmaning är den relativt låga ytan av Y 3 Pd 2 . För att ta itu med denna fråga, teamet använde en pulveriseringsteknik som kallas kulmalning och jämförde katalytisk aktivitet med olika lösningsmedel som heptan och etanol. I alla prover som hittills undersökts, teamet fann att Suzuki-kopplingsreaktionshastigheten ökade i proportion till ökningen av ytan. Dessa första resultat är "mycket lovande, " säger Ye, föreslår att "katalytisk prestanda kan förbättras genom ytterligare nanokristallisering."
