(PhysOrg.com) -- Nanodeeltjes van goud en palladium (Au-Pd) kunnen leiden tot een efficiëntere en milieuvriendelijkere manier om benzylbenzoaat te produceren, een chemische verbinding die veel in het voedsel wordt gebruikt, farmaceutische en chemische industrieën waarvan de toepassingen een fixeermiddel voor geurstoffen omvatten, een levensmiddelenadditief en een oplosmiddel voor chemische reacties.

De meest gebruikelijke methode voor het produceren van benzylbenzoaat is om benzoëzuur te laten reageren met benzylalcohol. Het kan ook worden gegenereerd uit benzaldehyde. Alle drie de uitgangsmaterialen zijn afgeleid van tolueen, een bestanddeel van ruwe olie. De vervaardiging van benzylalcohol en benzaldehyde vereist het gebruik van halogenen en zure oplosmiddelen, terwijl benzoëzuur wordt geproduceerd via een milieuvriendelijkere door kobalt gekatalyseerde reactie in de vloeibare fase.

Een onderzoeksteam onder leiding van Graham Hutchings, hoogleraar scheikunde aan de Cardiff University in Wales in het Verenigd Koninkrijk, en Christopher Kiely, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan Lehigh, heeft een manier gevonden om benzylbenzoaat rechtstreeks uit tolueen te produceren in een oplosmiddelvrije, eenstapsproces waarbij Au-Pd-nanodeeltjes worden gebruikt om de reactie te katalyseren.

“Door de Au-Pd-verhouding in het nanodeeltje te optimaliseren, evenals de reactieomstandigheden, we waren in staat om conversiepercentages van meer dan 95 procent te behalen zonder conversie naar kooldioxide, ', zegt Hutchings.

Een licht schijnen op deeltjesgrootte en katalytische activiteit

De onderzoekers rapporteerden hun bevinding op 14 januari in Wetenschap tijdschrift in een artikel getiteld "Oplosmiddelvrije oxidatie van primaire koolstof-waterstofbindingen in toluene met behulp van Au-Pd-legeringsnanodeeltjes." Het artikel was co-auteur van Hutchings en Kiely en 10 andere onderzoekers, inclusief Ramchandra Tiruvalam, een Lehigh Ph.D. kandidaat die met Kiely werkt.

In plaats van de katalysatoren te maken met conventionele dragerimpregneringstechnieken, de onderzoekers kozen een voorbereidingsroute die de sol-immobilisatie van Au-Pd-colloïden omvatte met behulp van amorfe koolstof en titaniumoxidedragers. Deze techniek biedt veel meer controle over de deeltjesgrootte en samenstelling dan conventionele methoden.

Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM)-onderzoeken uitgevoerd door Tiruvalam onthulden dat de gemiddelde deeltjesgroottes erg op elkaar leken, 3,3 nanometer op koolstof en 3,5 nm op titaniumoxide.

“Ondanks een zeer vergelijkbare deeltjesgrootteverdeling, de Au-Pd/koolstofmonsters bleken ongeveer het dubbele van de katalytische activiteit te hebben van de Au-Pd/titaniumoxidemonsters, " zegt Kiely, die het Nanocharacterization Laboratory leidt in Lehigh's Centre for Advanced Materials and Nanotechnology.

"Dit suggereert dat eenvoudige overwegingen van het metaaloppervlak de katalytische activiteit niet domineren."

Stabiliteit en herbruikbaarheid bereiken

Met behulp van Lehigh's aberratie-gecorrigeerde TEM, Tiruvalam kon aantonen dat de deeltjes inderdaad Au-Pd-legeringsdeeltjes waren, dat die op het titaanoxide sterk gefacetteerd waren en de neiging hadden om een ​​vlak grensvlak met de drager te vormen, en dat die op de koolstof veel meer afgerond waren.

"Het verschil in katalytische activiteit kan verband houden met verschillen in het aantal beschikbare rand- en hoeklocaties met een laag coördinatiegetal, ’, legt Kiely uit. "De meer afgeronde 'ruwere' deeltjes op de koolstofdrager hebben aanzienlijk meer van deze plaatsen dan de plattere deeltjes op de titaniumoxidedrager."

In een laatste reeks experimenten, de onderzoekers konden aantonen dat de Au-Pd/koolstofkatalysatoren na gebruik geen activiteitsverlies vertoonden en dat er weinig verandering in deeltjesvorm en -grootte was na langere reactieperiodes.

“Het is duidelijk dat deze zeer actieve katalysatoren zowel stabiel als herbruikbaar zijn, ', zegt Kiele.