Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), in samenwerking met DOE's Ames Laboratory, hebben een belangrijk en onverwacht reactiemechanisme gerapporteerd - "redoxgedrag" genaamd - op het oppervlak van katalysatordragermaterialen die worden toegepast in de chemische industrie.

De meeste industriële katalysatoren zijn verankerd aan metaaloxidedragers zoals silica, aluminiumoxide of zirkoniumoxide. Onlangs, gesulfateerde metaaloxiden zijn naar voren gekomen als een veelbelovend dragermateriaal voor koolstofbevattende metallische ("organometallische") katalytische complexen. Ze zijn op zichzelf ook veelbelovende katalytische materialen, met toepassing op chemische processen in de petrochemische industrie.

Met behulp van een combinatie van theoretische berekeningen en metingen met geavanceerde analytische technieken, het onderzoeksteam onderzocht de interacties tussen een organometallische iridiumkatalysator en dragermaterialen bestaande uit gesulfateerd aluminiumoxide en gesulfateerd zirkonia. Deze interacties vonden plaats tijdens een katalytische reactie die werd bevorderd door de organo-iridiumspecies met de dragermaterialen.

Dankzij eerder onderzoek, wetenschappers waren op de hoogte van een katalyseroute waarbij protonen uit de gesulfateerde metaaloxiden worden gedoneerd. Het onderzoeksteam ontdekte een tweede pad, een redoxreactie waarbij elektronen worden opgenomen uit het organometaalcomplex op het gesulfateerde metaaloxide-oppervlak. Ze ontdekten ook dat sommige plaatsen op het gesulfateerde metaaloxide-oppervlak die protonen doneerden, konden worden omgezet in elektron-accepterende plaatsen. waardoor het chemische gedrag van de organometaalkatalysator verandert.

Argonne-chemicus Max Delferro, een auteur van de studie, merkte op dat "in dit redoxmechanisme, ons materiaal neemt zijn gebruikelijke chemische routine en draait het op zijn kop - in plaats van een proton op te geven, het krijgt een elektron."

Het verschijnen van de waterstofisotoop deuterium in het organometaalcomplex signaleerde het optreden van een redoxreactie die niet eerder was gemeld. In aanvulling, de onderzoekers ontdekten dat zowel oppervlaktehydratatie als sulfaatbelading in het dragermateriaal een sleutelrol spelen in het redoxproces.

Volgens Delferro het onderzoek biedt de katalysegemeenschap inzicht in de mogelijkheid dat soortgelijke mechanismen een belangrijk onderdeel vormen van katalytische relaties, inclusief die waarin ondersteunende oppervlakken als hun eigen katalysator fungeren. "Deze observatie levert een principieel bewijs dat er een belangrijke reeks reacties plaatsvindt en niet mag worden genegeerd, " zei Argonne postdoctoraal onderzoeker David Kaphan, een andere auteur van de studie.

De studie, getiteld "Bewijs voor redox-mechanismen in organometallische chemisorptie en reactiviteit op gesulfateerde metaaloxiden, " verscheen in het online nummer van 9 april van de Tijdschrift van de American Chemical Society .