Nyckeln till kemiska reaktioner ligger i namnet - det måste finnas något som får kemikalierna att reagera på varandra. Kallas en katalysator, denna komponent inducerar eller påskyndar reaktioner på ett kontrollerat sätt för att ge ett önskat resultat. Katalysatorerna som används i flera industrier är ofta sammansatta av ädelmetaller, som inte är tillräckligt effektiva för att kompensera för sina höga kostnader. För att ta itu med denna fråga för den kemiska reaktionen av att tillsätta väte, kallad hydrering, till kinolin, en molekyl som är viktig i läkemedelsproduktion, har forskare baserade i Kina utvecklat en mycket effektiv katalysator som består av synergistiska nanopartiklar och enstaka atomer av iridium.

De publicerade sitt tillvägagångssätt den 22 mars i Nano Research .

"Selektiv hydrering av kinolin och dess derivat till motsvarande produkter har breda tillämpningar inom finkemi- och läkemedelsindustrin", säger medkorrespondent författare Changyan Cao, forskare vid Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS) och University of Chinese Academy of Sciences (UCAS). "Kinoliner är en viktig klass av föreningar för att komma åt tetrahydrokinolinprodukter som finns allmänt i läkemedelsmolekyler, men ädelmetallkatalysatorer behövs vanligtvis för att producera denna reaktion. Som sådan är det mycket viktigt att förbättra aktiviteten och utnyttjandeeffektiviteten av ädelmetaller på grund av deras höga pris."

Forskarna fokuserade på enatomskatalysatorer, som Cao sa har blivit ett hett ämne inom katalysområdet på grund av hur de kan slå samman fördelarna med både homogena och heterogena katalysatorer. De homogena katalysatorerna uppmuntrar en enhetlig reaktion, men heterogena katalysatorer kan inducera en reaktion med högre utbyte. Problemet, enligt Cao, är att enatomskatalysatorer saknar en metall-metallbindning. Utan denna bindning att smälta samman med, tvingas väte genom en annan väg som resulterar i mindre total hydrering.

"Eftersom väte dissocierar i matchande par lättare på nanopartiklar av ädelmetall - till väteatomer, till exempel - och det är välkänt att väteatomer sprider sig, antog vi att väteatomer som bildas på metallnanopartiklar också skulle kunna migrera till enstaka metallplatser för hydrering, " sa Cao och förklarade att den initiala hydrogeneringsaktiviteten mellan den föreslagna katalysatorn och substratet i huvudsak skulle producera en sekundär fas av väteatomer som kan fortsätta katalysprocessen. "Genom en sådan design kan de ovan nämnda problemen lösas."

För att designa en sådan katalysator spred forskarna enstaka atomer av iridium - ädelmetallen med högst rapporterad inneboende aktivitet för hydrering av kinolin - och nanopartiklar i ett kolbärare. När kinolin applicerades visade sig reaktionen vara mer effektiv än när endast iridiumatomer eller endast nanopartiklar användes.

"Att konstruera en synergistisk katalysator förändrar reaktionsvägen för att dra nytta av singelatomsställen vid aktivering av substrat och nanopartiklar i dissociation av väte", säger medförfattaren Weiguo Song, professor vid ICCAS och UCAS. "Alla dessa egenskaper tillsammans bidrar till den mycket förbättrade hydreringsprestandan jämfört med motsvarigheten enatomskatalysator och enbart nanopartikelkatalysator."

Även om den utvecklade synergistiska katalysatorn inte utplånar behovet av ädelmetaller, minskar den mängden som behövs för en bättre reaktion.

"Vi föreslog och bekräftade en effektiv strategi för att öka den katalytiska aktiviteten för hydrering av kinolin genom att konstruera en synergistisk katalysator av enkla iridiumatomer och nanopartiklar, vilket löser aktivitetsbegränsningarna för enatomskatalysatorer," sa Song. "Närnäst kommer vi att utöka vår forskning till andra metallkatalysatorer och hydreringsreaktioner för att visa universaliteten av synergistkatalys." + Utforska vidare

Upptäckt av en ny katalysator för högaktiv och selektiv koldioxidhydrering till metanol