De belangrijkste componenten van aardolie en aardgas zijn koolwaterstoffen en hun mengsels, onmisbaar als middelen ter ondersteuning van moderne infrastructuur als grondstof voor de petrochemische industrie. Een techniek die gewoonlijk wordt gebruikt om heilzame chemische producten uit koolwaterstoffen te maken, is het gebruik van een grote hoeveelheid metaalperoxiden in gevaarlijke organische oplosmiddelen om koolwaterstofverbindingen te oxideren.

Om hulpbronnen effectief te gebruiken en de impact op het milieu te verminderen, schone katalytische oxidatie zonder oplosmiddelen met behulp van de zuurstof in de lucht is de laatste jaren een populair onderzoeksonderwerp. Vooral onderzoek naar nanodeeltjes van edele metalen op poreuze koolstofmaterialen of metaaloxiden komt veel voor, en ze worden gezien als veelbelovende katalysatoren. Essentiële elementen die de reactiviteit van dergelijke heterogene katalysatoren bepalen, zijn de vorm, maat, en metallische samenstelling van de metallische nanodeeltjes. Deeltjes kleiner dan 2 nm zijn belangrijk voor nieuwe krachtige katalysatoren, aangezien het verkleinen van de diameter van het katalysatordeeltje niet alleen de oppervlakteverhouding vergroot, maar ook de toestand van de elektronen op het oppervlak van de metalen sterk verandert, op zijn beurt sterk het veranderen van de reactiviteit. Echter, het vinden van een methode om deze kleine metalen nanodeeltjes te synthetiseren en tegelijkertijd zowel de diameter als de samenstelling te beheersen, is een uitdaging.

Overzicht

De onderzoeksgroep onder leiding van Kimihisa Yamamoto van het Tokyo Institute of Technology ontwikkelde een methode voor het synthetiseren van microscopisch kleine nanodeeltjes van legeringen met behulp van vertakte moleculaire dendrimeren, ontwikkeld in het Yamamoto Atom Hybrid Project van het ERATO-programma. Moleculen die dendrimeren worden genoemd, hebben een regelmatige vertakkingsstructuur met slechts één bepaald molecuulgewicht, hoewel ze worden geclassificeerd als macromoleculen. De onderzoeksgroep implementeerde veel coördinatieplaatsen voor de vorming van metaalionen en -complexen. Door een dendrimeer met dergelijke coördinatieplaatsen als sjabloon voor het nanodeeltje te gebruiken, de groep was in staat om een ​​nanodeeltje met een gecontroleerd aantal atomen te synthetiseren.

Verder, ze evalueerden de activiteit van dit legeringsnanodeeltje als oxidatiekatalysator voor koolwaterstoffen onder normale druk bij gebruik van zuurstof in de lucht als oxidatiemiddel. Ze ontdekten dat de activiteit ervan 24 keer groter was dan die van in de handel verkrijgbare katalysatoren voor de oxidatie van organische verbindingen. Ze ontdekten ook dat door toevoeging van een katalytische hoeveelheid organisch hydroperoxide, deze katalysator bevordert de oxidatie van koolwaterstof tot aldehyden en ketonen bij gewone temperaturen en drukken. Verder, door de veranderingen in activiteit als gevolg van legeringskatalysatoren met verschillende metaalsamenstellingen te vergelijken en de samenstelling en andere kenmerken van de tussenproducten te onderzoeken, ketonen en organische hydroperoxiden, de groep was in staat om het proces van reactiebevordering te observeren vanwege de legering van de katalysator.

Toekomstige ontwikkeling

De kennis die uit dit onderzoek wordt opgedaan, kan bijdragen aan ontwerprichtlijnen voor nieuwe hoogwaardige katalysatoren. De methode voor het synthetiseren van legeringsnanodeeltjes die in dit onderzoek is ontwikkeld, kan algemeen worden gebruikt en worden toegepast op andere metalen. Om deze reden, dit zou de technologie kunnen zijn die de reactiviteit van andere microscopisch kleine nanodeeltjes van legeringen blootlegt. Er is verder onderzoek nodig naar de toename van de katalytische activiteit op het grensvlak van koper en andere edele metalen in de oxiderende transformaties van andere organische verbindingen, niet alleen de oxidatie van koolwaterstoffen. Er wordt een toepassing verwacht voor hoogwaardige materialen van de volgende generatie op de gebieden die zo divers zijn als optica, elektronica, en energie.