Om chemicaliën voor industriële processen te maken, moeten wetenschappers vaak een katalysator gebruiken - een stof die een chemische reactie versnelt, het verminderen van de hoeveelheid energie die nodig is om verschillende producten te maken.

Wetenschappers hebben lang overwogen palladium, een edelmetaal dat nauw verwant is aan platina, een sterkatalysator vanwege zijn zeer actieve karakter. Echter, omdat palladium zo duur is, wetenschappers hebben gezocht naar manieren om het merendeel van het palladium dat bij bepaalde katalysatoren betrokken is, te vervangen door een ander metaal.

In een nieuwe studie van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of California in Santa Barbara, wetenschappers hebben een andere elementaire actor geïdentificeerd die helpt bij het activeren van palladium, terwijl de hoeveelheid edelmetaal die nodig is om reacties te laten plaatsvinden, wordt verminderd.

Door een kleinere hoeveelheid palladium te combineren met nikkel op een ijzeren nanodeeltjesvorming, een onderzoeksteam onder leiding van de chemicus Max Delferro uit Argonne en zijn collega Bruce Lipshutz, een professor scheikunde aan de Universiteit van Californië-Santa Barbara, ontwierp een goedkoop en efficiënt systeem dat nitro-arylgroepen reduceerde tot aminen, een chemische groep die belangrijk is in de landbouwchemicaliën en de farmaceutische industrie.

"Hoewel deze reductieroute bekend is en er in het verleden verschillende methoden zijn geweest om dit te doen, een van de grootste problemen is dat de katalysatoren niet voldoende selectief zijn, " zei Delferro. "Palladium is een zeer selectief metaal, maar we moeten een kleine hoeveelheid gebruiken om zowel de hoge selectiviteit als de hoge activiteit te behouden."

In hun poging om "palladium zo ver mogelijk uit te rekken, " Delferro en Lipshutz verspreidden het palladium op de ijzeren nanodeeltjes op een manier die het aantal actieve plaatsen maximaliseerde waar de palladiumatomen konden interageren met nitro-arylgroepen.

Zonder nikkel, deze kleine palladiumclusters zouden de neiging hebben om samen te klonteren, beschikbare oppervlakte verliezen en, als gevolg, actieve sites. het nikkel, echter, voorkomt dat de kostbare palladiumclusters zich aan elkaar hechten, ze sterk verspreid te houden.

"Je kunt het zien als magneten in een zandbak, " zei Delferro. "Als de zandbak leeg is, als je de zandbak schudt, de magneten zullen de neiging hebben om allemaal samen te komen. Maar als er zand in de zandbak zit, de magneten blijven vastzitten en kunnen niet naar elkaar toe bewegen."

Om de regeling daadwerkelijk te observeren, Delferro en zijn team gebruikten Argonne's Advanced Photon Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. In hun experiment hebben de Argonne-onderzoekers volgden de katalysator onder werkelijke reactieomstandigheden en observeerden palladiumklontering in de versie van de katalysator die geen nikkel bevatte.

In versies van de katalysator die wel nikkel bevatten, deze klonterende interacties hebben niet plaatsgevonden, en het palladium bleef verspreid.

De resultaten van het onderzoek komen voort uit een samenwerking tussen Novartis, die het project heeft geïnitieerd; de Universiteit van Californië-Santa Barbara, de instelling die de katalysator heeft gesynthetiseerd; en Argonne, die het kenmerkte bij de APS. Die resultaten worden gerapporteerd in een artikel gepubliceerd op 8 december in Groene chemie , getiteld "Synergistische effecten in Fe-nanodeeltjes gedoteerd met ppm-niveaus van (Pd + Ni). Een nieuwe katalysator voor duurzame nitrogroepreductie."