(Phys.org) — Oud denken was dat goud, hoewel goed voor sieraden, was niet van veel nut voor chemici omdat het relatief niet-reactief is. Dat veranderde tien jaar geleden toen wetenschappers een rijke ader van ontdekkingen bereikten waaruit bleek dat dit edele metaal, wanneer gestructureerd in deeltjes ter grootte van nanometers, kan chemische reacties versnellen die belangrijk zijn bij het verminderen van milieuverontreinigende stoffen en het produceren van moeilijk te maken speciale chemicaliën. Katalytische gouden nanodeeltjes hebben sindsdien geleid tot honderden wetenschappelijke tijdschriftartikelen. Nu de wereldmarkt voor katalysatoren tegen 2016 $ 19,5 miljard zal bereiken, gouden nanodeeltjes kunnen zowel commercieel als intellectueel van belang zijn, omdat ze uiteindelijk zouden kunnen leiden tot nieuwe katalysatoren voor energie, farmacologie en diverse consumentenproducten.

Maar voordat gouden nanodeeltjes nuttig kunnen zijn voor consumenten, onderzoekers moeten ze zowel stabiel als actief maken. Onlangs, wetenschappers leerden kleine, sterk geordende clusters met zeer specifieke aantallen goudatomen die worden gestabiliseerd door verbindingen die liganden worden genoemd. Deze gestabiliseerde goudclusters plus liganden kunnen worden gezien als grote moleculen. In samenwerking met wetenschappers van de Carnegie Mellon University, onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy hebben een nieuwe gouden molecule gevonden, een katalysator met precies 25 goudatomen, dat is zowel krachtig als verfijnd. Het katalyseert de omzetting van een verscheidenheid aan moleculen, inclusief de omzetting van giftig koolmonoxide in onschadelijk kooldioxide, een reactie die toepassing kan vinden in apparaten in de buurt van rookkanalen of houtkachels. Helaas, de liganden die de kunstmatige clusters creëren en stabiliseren, blokkeren ook de plaatsen die nodig zijn om de omzetting van koolmonoxide in kooldioxide te katalyseren.

"De liganden zijn tweesnijdende zwaarden, " zei studieleider Zili Wu van ORNL, wiens onderzoek werd uitgevoerd in de katalysegroep van ORNL, die wordt geleid door Steve Overbury. "We zijn geïnteresseerd in het gebruik van goudclusters als katalysatoren of katalysatorprecursoren. Liganden stabiliseren aan de ene kant de structuur van de gouddeeltjes, maar verminderen aan de andere kant hun katalytische prestaties. Het balanceren van die twee factoren is de sleutel tot het creëren van een nieuw katalytisch systeem. manier is om een ​​metaaloxide te gebruiken (hier, ceriumoxide) als een anorganisch ligand om de goudclusters te stabiliseren wanneer het organische ligand moet worden verwijderd voor katalyse."

Veel katalytische systemen bestaan ​​uit metaaldeeltjes met katalytische eigenschappen die op een metaaloxidedrager zijn geplaatst met eigen katalytische eigenschappen. Het metaal en metaaloxide werken samen om een ​​nieuw type katalytische activiteit te creëren. "We proberen te begrijpen hoe dat komt, ' zei Wu.

hun studie, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society , beschreef hoe liganden de gouden nanocluster in staat stelden om te koppelen aan een ceriumoxidedrager in de vorm van een staaf. De geproduceerde katalysatoren waren allemaal identiek. De onderzoekers willen toekomstige oxidedragers ontwerpen in de vorm van kubussen of octaëders om erachter te komen hoe die nanostructuren de configuratie van het goud en de reactiviteit van het uiteindelijke componentensysteem zouden kunnen veranderen. Een beter begrip van stabilisatoren kan helpen bij het ontwerpen van nieuwe katalysatoren voor kritische chemische reacties, waaronder oxidatie, hydrogenering en koppeling.

Carnegie Mellon-professor Rongchao Jin, zijn student Chenjie Zeng en ORNL-postdoctorale fellows Amanda Mann en Zhen-An Qiao synthetiseerden de goudclusters. Mann maakte de ceriumoxidestaven. Wu en Mann plaatsten de gouden clusters op de dragers en voerden chemische reactiestudies uit. David Mullins van ORNL voerde metingen uit van de fijne structuur van de uitgebreide röntgenabsorptie om te leren hoe de grootte van clusters verandert met de temperatuur. Larry Allard van ORNL verifieerde de aard van de structuren met aberratie-gecorrigeerde microscopie, en De-en Jiang, voorheen van ORNL maar nu aan de University of California-Riverside, gebruikte de Oak Ridge Institutional Cluster om de structuren van ligand-gebonden goudclusters computationeel te onderzoeken.

Goud activeren

"Deze liganden beïnvloeden de reactiviteit - ze vergiftigen in wezen het gouden oppervlak - dus het goud moet echt worden geactiveerd, "Overburen, de senior auteur van de studie, uitgelegd. "We zetten het goud op een steun, en het heeft deze liganden die het beschermen. We moeten die liganden verwijderen, dus we verwarmen dit [gouden nanocluster] in feite op of behandelen het in een gas tot verhoogde temperaturen."

Wanneer de gouden clusters worden verwarmd, de liganden beginnen los te laten en de katalytische activiteit van goud neemt toe. The optimal temperature for producing gold nanocluster catalysts for carbon monoxide oxidation is 498 Kelvin (225 degrees Celsius or 437 degrees Fahrenheit), Wu said. If heating increases further, catalytic activity decreases because the gold particles become fluid and aggregate on the support.

Next the scientists are interested in varying the gold-cluster size and stabilizing the new clusters to make novel uniform catalysts. "We want to understand how other kinds of reactions can be catalyzed by these. So far we've only looked at carbon monoxide oxidation, which is kind of a test reaction, " Overbury said. "Our primary interest is using the gold-nanocluster complex as a toolbox for learning about how other complex reactions occur."

Added Overbury, "We're only just starting to mine all the catalytic possibilities for gold."

DOE's Office of Science sponsored the research described in the Tijdschrift van de American Chemical Society papier. Raman and Fourier transform infrared spectroscopies and catalytic measurements were conducted at the Center for Nanophase Materials Sciences, a DOE Office of Science User Facility at ORNL. Extended X-ray absorption fine structure work was performed at the National Synchrotron Light Source, which is also a DOE Office of Science User Facility, at Brookhaven National Laboratory.