Nog maar vijfentwintig jaar geleden, scheikundigen beschouwden goud als een van de meest inerte metaalelementen, totdat de ontdekking dat dispersies van goud op nanoschaal een hoge katalytische activiteit hadden, een heroverweging van oude principes dwong. Onderzoekers ontdekten al snel dat gouden nanodeeltjes veel industrieel belangrijke reacties konden bevorderen, zoals het verwijderen van schadelijk koolmonoxidegas uit emissiestromen. Hoewel de voordelen van goud op nanoschaal duidelijk zijn, het materiaal in een duurzame en herbruikbare vorm voorbereiden blijft een grote uitdaging die de acceptatie ervan door fabrikanten beperkt.

Uit het werk van de teams van Ming-Yong Han van het Institute of Materials Research and Engineering en Yong-Wei Zhang van het Institute of High Performance Computing bij A*STAR is gebleken dat de stabiliteit van gouden nanodeeltjeskatalysatoren kan worden verbeterd door ze te coaten met beschermende titania (TiO2) lagen. Bedacht door co-auteur Zhi Wei Seh, een A * STAR National Science Scholar, deze nieuwe techniek produceert zogenaamde Janus-nanostructuren die bijna alle katalytische activiteit van naakte gouden nanodeeltjes behouden zonder te lijden aan onomkeerbare aggregatie die de reactiviteit van de laatste vermindert.

Vernoemd naar de Romeinse god met twee gezichten van begin en overgang, Janus-nanostructuren verbinden twee of meer componenten van gelijke grootte met elkaar via zeer kleine knooppunten - een opstelling die het actieve oppervlak van elke stof maximaliseert. De gunstige effecten van het combineren van gouden nanodeeltjes met titania is algemeen bekend, maar tot het werk van A*STAR-onderzoekers, een gedetailleerd begrip van het mechanisme waarmee deze twee soorten samensmelten was ongrijpbaar gebleken.

Han en collega's gebruikten een onconventionele chelaatvormer genaamd titaniumdiisopropoxide-bis(acetylacetonaat) om de groei van TiO2 op goud in extreem lage snelheden te stimuleren. Door de toevoeging van dit reagens aan staaf- en bolvormige gouden nanodeeltjes zorgvuldig te controleren, de onderzoekers observeerden drie verschillende nanostructuren (zie afbeelding):een Janus-geometrie; een gedeeltelijk omhullende 'excentrische' geometrie; en een 'concentrische' kern-schaal-opstelling.

Katalytische experimenten onthulden dat de reactiviteit en duurzaamheid van goud-titania Janus-structuren unieke voordelen hebben ten opzichte van andere nanodeeltjes. Vanwege de blootgestelde aard van hun gouden oppervlakken, de eerste katalyseert de reductie van het molecuul 4-nitrofenol met veel hogere snelheden dan excentrische en concentrische nanodeeltjes waarvan de gouden oppervlakken meer beperkt zijn. Verder, dankzij de beschermende TiO2-coating van de hybride katalysatoren konden ze herhaaldelijk worden hergebruikt met weinig activiteitsverlies. In tegenstelling tot, naakte gouden nanodeeltjes klonterden na slechts vijf gebruikscycli tot niet-reactieve klonten.

Verder theoretisch onderzoek door het team onthulde dat de vorming van Janus-nanostructuren als de energetisch stabiele soort wordt bevorderd door de toevoeging van kleinere volumes van de titania-precursor - een bevinding die de onderzoekers kan helpen bij het genereren van andere metaaloxide-hybriden voor katalytische toepassingen in de nabije toekomst toekomst.