Onderzoekers geloven dat de puzzel van katalytisch goud nu gedeeltelijk is opgelost. Goud kan een oxidatiereactie katalyseren door eerst zichzelf te oxideren. Nieuw onderzoeksbewijs over goudoxidefase bij kamertemperatuur en atmosferische druk helpt ons om eindelijk de oxidatiemechanismen van katalytische gouden nanoclusters in deze omstandigheden te begrijpen.

"Dit is van vitaal belang als we oxidatiekatalysatoren willen ontwerpen die omgevingszuurstof kunnen gebruiken in het reactieproces. Katalysatoren die bij lage temperaturen werken, zijn in de toekomst significant in termen van energie-efficiëntie, ", zegt Academy Research Fellow Karoliina Honkala van het Nanoscience Center (NSC) van de Universiteit van Jyvaskyla.

De onderzoekers van het NSC tonen nieuw bewijs uit computerstudies dat goudclusters ter grootte van nanometers de O-O-binding volledig kunnen verbreken door vorming van een nieuwe eendimensionale goudoxidefase aan de grens van het cluster. Er wordt voorspeld dat dit mechanisme domineert bij omgevingscondities van één atmosferische druk en kamertemperatuur.

De studie werd in september gepubliceerd in Angewandte Chemie , het toonaangevende internationale tijdschrift in de chemie. Het onderzoek maakt deel uit van Karoliina Honkala's Academy of Finland Academy Researcher-project en werd uitgevoerd in samenwerking met professor Hannu Häkkinen. Het rekenwerk werd mogelijk gemaakt door uitgebreide middelen van het Finse IT-centrum voor wetenschap, CSC.

In de studie, onderzoekers stelden de monolaag-dikke goudclusters bloot aan een variabel aantal zuurstofmoleculen. Er werd ontdekt dat zelfs één gouden cluster effectief meerdere zuurstofmoleculen kan adsorberen aan de grenzen van de cluster, tegelijkertijd de O-O-binding verzwakken (rekken) door elektronen over te dragen aan de zuurstofmoleculen. Rekening houdend met de effecten van temperatuur en omgevingsdruk, de berekeningen voorspelden dat de zuurstofmoleculen volledig zullen dissociëren en dat de zuurstof- en goudatomen eendimensionale alternerende ketens zullen vormen aan de clustergrens (zie figuur). De zuurstofatomen in deze ketens zijn negatief en de goudatomen positief geladen, het creëren van een systeem dat doet denken aan een eendimensionale goudoxideketen. Deze ketens zijn naar verwachting het zeer katalytisch actieve deel van de omzetting van koolmonoxide in kooldioxide bij kamertemperatuur.

Onderzoekers Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen en Karoliina Honkala hebben monolaag-dikke goudclusters met 10-20 atomen bestudeerd, ondersteund door dunne magnesiumoxidefilms die op zilvermetaal werden gekweekt. Deze systemen kunnen experimenteel worden voorbereid, en vorig jaar publiceerde de Jyväskylä-groep een gezamenlijke studie met professor Hans-Joachim Freund van het Fritz-Haber Instituut in Berlijn om atomaire en elektronische structuren van goudclusters in dergelijke systemen te karakteriseren (zie http://prl.aps.org/abstract/ PRL/v102/i20/e206801).

Intensief experimenteel werk sinds het begin van de jaren tachtig heeft aangetoond dat gouden nanodeeltjes een onverwachte katalytische activiteit vertonen ten opzichte van veel industrieel belangrijke chemische reacties waarbij atomaire bindingen in zuurstof- of koolwaterstofmoleculen worden geactiveerd. Vorming van koolstofdioxide (CO .) bij kamertemperatuur ₂ ) van koolmonoxide (CO) en zuurstofmolecuul (O ₂ ) is een van de meest uitgebreid bestudeerde processen. Er is gesuggereerd dat een aantal verschillende factoren bijdragen aan het vermogen van gouddeeltjes om de O-O-binding te activeren, die wordt beschouwd als de belangrijkste reactiestap.

"De nu gepubliceerde studie biedt ons een nieuwe benadering van het probleem. De vorming van goudoxide, dat is, de oxidatie van goud, is in tegenspraak met de bekende eigenschappen van macroscopisch goudmetaal. Op nanometerschaal is echter, alles lijkt mogelijk, " zegt professor Häkkinen.