Forskare vid Tokyo Institute of Technology har visat att kopparoxidpartiklar på sub-nanoskala är mer kraftfulla katalysatorer än de på nanoskala. Dessa subnanopartiklar kan också katalysera aromatiska kolvätens oxidationsreaktioner mycket mer effektivt än katalysatorer som för närvarande används inom industrin. Denna studie banar väg för ett bättre och mer effektivt utnyttjande av aromatiska kolväten, som är viktiga material för både forskning och industri.

Den selektiva oxidationen av kolväten är viktig i många kemiska reaktioner och industriella processer, och som sådan, forskare har letat efter effektivare sätt att utföra denna oxidation. Kopparoxid (CunO _x ) nanopartiklar har visat sig användbara som katalysator för bearbetning av aromatiska kolväten, men strävan efter ännu mer effektiva föreningar har fortsatt.

Under det senaste förflutna, forskare använde ädelmetallbaserade katalysatorer bestående av partiklar på subnanonivå. På denna nivå, partiklar mäter mindre än en nanometer och när de placeras på lämpliga substrat, de kan erbjuda ännu högre ytareor än nanopartikelkatalysatorer för att främja reaktivitet (Fig. 1).

I denna trend, ett team av forskare inklusive Prof. Kimihisa Yamamoto och Dr. Makoto Tanabe från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) undersökte kemiska reaktioner katalyserade av CunO _x subnanopartiklar (SNP) för att utvärdera deras prestanda vid oxidation av aromatiska kolväten. CunO _x SNP:er av tre specifika storlekar (med 12, 28, och 60 kopparatomer) producerades inom trädliknande ramverk som kallas dendrimerer (Fig. 2). Stöds på ett zirkoniumoxidsubstrat, de användes för aerob oxidation av en organisk förening med en aromatisk bensenring.

Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och infraröd spektroskopi (IR) användes för att analysera de syntetiserade SNPs strukturer, och resultaten stöddes av beräkningar av densitetsfunktionalitetsteori (DFT).

XPS-analysen och DFT-beräkningarna avslöjade ökande jonicitet hos koppar-syrebindningarna (Cu-O) när SNP-storleken minskade. Denna bindningspolarisation var större än den som sågs i bulk Cu-O-bindningar, och den större polariseringen var orsaken till den ökade katalytiska aktiviteten hos CunO _x SNP:er.

Tanabe och teammedlemmarna observerade att CunO _x SNP:er påskyndade oxidationen av CH ₃ grupper fästa vid den aromatiska ringen, vilket leder till bildning av produkter. När CunO _x SNP-katalysator användes inte, inga produkter bildades. Katalysatorn med den minsta CunO _x SNP, Cu ₁₂ Oxe, hade den bästa katalytiska prestandan och visade sig vara den som varar längst.

Som Tanabe förklarar, "förbättringen av joniciteten hos Cu-O-bindningarna med minskad storlek på CunO _x SNP:er möjliggör deras bättre katalytiska aktivitet för aromatiska kolväteoxidationer."

Deras forskning stödjer påståendet att det finns stor potential för att använda kopparoxid-SNP som katalysatorer i industriella tillämpningar. "Den katalytiska prestandan och mekanismen för dessa storlekskontrollerade syntetiserade CunO _x SNP:er skulle vara bättre än de för ädelmetallkatalysatorer, som för närvarande används mest inom industrin, " Yamamoto säger, antyder vad CunO _x SNP kan uppnå i framtiden.