Katalysatorer finns överallt, antingen i form av ett enzym i kroppen som smälter mat eller katalysatorn i bilen som bryter ner föroreningar. Katalysatorer spelar en viktig roll för att göra kemiska reaktioner mer effektiva. Nyligen, atomärt precisa metallnanokluster (NC) som kan accelerera olika termiska, elektrokemiska, och fotokemiska reaktioner har använts för att utforma användbara katalysatorer. Dessa NC är små partiklar (mindre än 2 nanometer) vars egenskaper kan modifieras genom att ändra deras atomsammansättning. Metal NC har fått stor uppmärksamhet, med forskare som försöker hitta olika sätt att syntetisera NC:er med unika funktioner.

Ett populärt sätt att tillverka atomärt exakta metall-NC är att använda ligander (molekyler eller joner som fäster sig på en central metallkärna). Dessa ligander skyddar inte bara de små NC utan påverkar också deras kemiska reaktivitet och selektivitet. Ibland, dock, reaktiviteten är lägre än förväntat.

För att öka den katalytiska aktiviteten hos ligandskyddade metall-NC:er, de värms upp i en ugn vid höga temperaturer utan syre (en process som kallas "kalcinering") för att avlägsna liganderna från huvudklustret. Dock, uppvärmning av partiklarna vid mycket höga temperaturer kan få NC att ackumuleras, leder ofta till minskad reaktivitet. "När liganderna tas bort utan särskild behandling, metall-NCs aggregeras lätt på stödet och förlorar sina storleksspecifika egenskaper. Det är viktigt att förstå mekanismen för ligandkalcinering för att skapa mycket funktionella heterogena katalysatorer under lämpliga förhållanden, " säger professor Yuichi Negishi vid Tokyo University of Science, Japan, som forskar om syntesen av nanokluster.

I en ny studie publicerad i Angewandte Chemie , Prof. Negishi ledde ett team av forskare, inklusive biträdande professor Tokuhisa Kawawaki, Mr Yuki Kataoka, Momoko Hirata, och Mr. Yuki Akinaga, att gräva djupt i mekanismen för ligandborttagningsprocessen i NCs. För sina experiment, forskarna syntetiserade guld NCs skyddade av två ligander, 2-fenyletantiolat och merkaptobensoesyra och sedan stödde dem på en fotokatalytisk metalloxid. Nästa, teamet värmde det förberedda materialet vid olika temperaturer från 195 grader C till 500 grader C. Efter varje steg, de analyserade produkterna med hjälp av tekniker som infraröd spektroskopi, Röntgenfotoelektronspektroskopi, och transmissionselektronmikroskopi för att identifiera förändringarna i deras kemiska sammansättning.

Efter att liganderna hade frigjorts fullständigt, teamet bäddade in guld-NCs i en tunn film av kromoxid genom att bestråla provet med UV-ljus för att förhindra aggregering av NCs. Denna process genererade en fotokatalysator med användbara egenskaper som hög vattenklyvningsaktivitet och stabilitet.

Dessa fynd vägleder designen för NC-baserade metallkatalysatorer i framtiden, med tillämpningar inom vätegenerering för vätebränsleceller. "Med vår forskning, vi hoppas kunna bygga en ren, hållbar, samhälle, en tegelsten i taget, " avslutar Prof. Negishi.