För första gången har forskare, inklusive de vid University of Tokyo, upptäckt ett sätt att förbättra hållbarheten hos guldkatalysatorer genom att skapa ett skyddande lager av metalloxidkluster. De förbättrade guldkatalysatorerna tål ett större antal fysiska miljöer än vad oskyddade likvärdiga material kan.
Detta framsteg kan öka katalysatorernas utbud av möjliga tillämpningar, samt minska energiförbrukningen och kostnaderna i vissa situationer. Dessa katalysatorer används i stor utsträckning i industriella miljöer, inklusive kemisk syntes och produktion av läkemedel, dessa industrier skulle kunna dra nytta av förbättrade guldkatalysatorer.
Forskningen visas i Nature Communications .
Alla älskar guld:idrottare, pirater, bankirer – alla. Det har historiskt sett varit en attraktiv metall för att tillverka saker som medaljer, smycken, mynt och så vidare. Anledningen till att guld framstår som så glänsande och lockande för oss är att det är kemiskt motståndskraftigt mot fysiska förhållanden som annars skulle kunna smutskasta andra material:till exempel värme, tryck, oxidation och andra nackdelar.
Paradoxalt nog, på nanoskopiska skalor, vänder små partiklar av guld denna trend och blir mycket reaktiva, så mycket att de under en lång tid nu har varit avgörande för att förverkliga olika typer av katalysatorer, mellanliggande ämnen som accelererar eller på något sätt möjliggör en kemisk reaktion ska ske. Med andra ord, de är användbara eller nödvändiga för att förvandla ett ämne till ett annat, därav deras utbredda användning i syntes och tillverkning.
"Guld är en underbar metall och prisas med rätta i samhället, och särskilt inom vetenskapen", säger docent Kosuke Suzuki från Institutionen för tillämpad kemi vid University of Tokyo. "Det är bra för katalysatorer och kan hjälpa oss att syntetisera en rad saker, inklusive mediciner.
"Skälen till detta är att guld har låg affinitet för att absorbera molekyler och också är mycket selektivt vad gäller vad det binder till, så det möjliggör mycket exakt kontroll av kemiska syntesprocesser. Guldkatalysatorer fungerar ofta vid lägre temperaturer och tryck jämfört med traditionella katalysatorer, som kräver mindre energi och minskar miljöpåverkan."
Så bra som guld är, men det har vissa nackdelar. Det blir mer reaktivt när mindre partiklar görs av det, och det finns en punkt där en katalysator gjord med guld kan börja lida negativt av värme, tryck, korrosion, oxidation och andra förhållanden. Suzuki och hans team trodde att de kunde förbättra den här situationen och utarbetade ett nytt skyddsmedel som kunde tillåta en guldkatalysator att behålla sina användbara funktioner, men över ett större antal fysiska förhållanden som vanligtvis hindrar eller förstör en typisk guldkatalysator.
"Nuvarande guldnanopartiklar som används i katalysatorer har en viss nivå av skydd, tack vare ämnen som dodekantioler och organiska polymerer. Men vår nya är baserad på ett kluster av metalloxider som kallas polyoxometalater och det ger mycket överlägsna resultat, särskilt när det gäller oxidativ stress ", sa Suzuki.
"Vi undersöker för närvarande de nya strukturerna och tillämpningarna av polyoxometallater. Den här gången applicerade vi polyoxometalater på guldnanopartiklar och konstaterade att polyoxometalater förbättrar nanopartiklarnas hållbarhet. Den verkliga utmaningen var att tillämpa ett brett utbud av analytiska tekniker för att testa och verifiera allt detta. "
Teamet använde en mängd olika tekniker som tillsammans kallas spektroskopi. Den använde inte mindre än sex spektroskopiska metoder som varierade i vilken typ av information de avslöjar om ett material och dess beteende. Men generellt sett fungerar de genom att kasta något slags ljus på ett ämne och mäta med specialiserade sensorer hur ljuset förändras på något sätt. Suzuki och hans team tillbringade månader med att köra olika tester och olika konfigurationer av sitt experimentmaterial tills de hittade det de sökte.
"Vi drivs inte bara av att försöka förbättra vissa metoder för kemisk syntes. Det finns många tillämpningar av våra förbättrade guldnanopartiklar som kan användas för att gynna samhället", säger Suzuki. "Katalysatorer för att bryta ner föroreningar (många bensinbilar har redan en välbekant katalysator), mindre effektfulla bekämpningsmedel, grön kemi för förnybar energi, medicinska ingrepp, sensorer för livsmedelsburna patogener, listan fortsätter.
"Men vi vill också gå längre. Våra nästa steg blir att förbättra utbudet av fysiska förhållanden som vi kan göra guldnanopartiklar mer motståndskraftiga mot, och även se hur vi kan ge en viss hållbarhet till andra användbara katalytiska metaller som rutenium, rodium, rhenium , och naturligtvis något folk prisar ännu högre än guld:platina."
Mer information: Ultrastabila och mycket reaktiva kolloidala guld-nanopartikelkatalysatorer skyddade med hjälp av multi-dentate metalloxidnanokluster, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45066-9
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of Tokyo
