Onderzoekers van het Nanoscience Center (NSC) aan de Universiteit van Jyväskylä, Finland, en de Universiteit van Xiamen, China, hebben ontdekt hoe koperdeeltjes op nanometerschaal werken bij het wijzigen van een koolstof-zuurstofbinding wanneer ketonmoleculen veranderen in alcoholmoleculen. Modificatie van de koolstof-zuurstof- en koolstof-koolstofbindingen in organische moleculen is een belangrijk tussenstadium in katalytische reacties waarbij het bronmateriaal wordt omgezet in waardevolle eindproducten.

Inzicht in de werking van katalysatoren op het niveau van de atomaire structuur van een enkel deeltje maakt het mogelijk om katalysatoren met gewenste eigenschappen te ontwikkelen, zoals het efficiënt en selectief maken voor een specifiek eindproduct. De studie is gepubliceerd in ACS Nano . In Finland, het onderzoek werd geleid door Akademiehoogleraar Hannu Häkkinen.

De katalytische koperdeeltjes die in het onderzoek werden gebruikt, zijn gemaakt en structureel gekarakteriseerd aan de Universiteit van Xiamen, en hun werking bij het veranderen van een sterke koolstof-zuurstofbinding in een hydrogeneringsreactie werd bestudeerd door de onderzoekers van het Nanoscience Center (NSC) aan de Universiteit van Jyväskylä in computersimulaties. De precieze atomaire structuur van de koperdeeltjes werd bepaald door middel van röntgendiffractie en nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie. De deeltjes bleken 25 koperatomen en tien waterstofatomen te bevatten, en er waren 18 thiolen die het oppervlak van het deeltje beschermden. Terwijl het experimentele werk in Xiamen zijn uitstekende prestaties bij de katalytische hydrogenering van ketonen aan het licht bracht, de simulaties voorspelden dat de waterstofatomen gebonden aan de koperen kern van het deeltje fungeren als een waterstofopslag, waarbij tijdens een reactie twee waterstofatomen aan de koolstof-zuurstofbinding vrijkomen. De waterstofopslag wordt na de reactie weer gevuld, wanneer een waterstofmolecuul dat vanuit zijn omgeving aan het deeltje vastzit, zich splitst in twee waterstofatomen, die weer aan de koperen kern gebonden zijn (zie afbeelding). De NMR-metingen in Xiamen onthulden een tussenproduct van de reactie, die de voorspellingen van het rekenmodel bevestigden.

"Dit is een van de eerste keren dat het mogelijk is geweest om te ontdekken hoe een katalytisch deeltje werkt wanneer zijn structuur zo nauwkeurig bekend is, dankzij een samenwerking die zowel experimenten als simulaties omvat, " zegt Akademiehoogleraar Hannu Häkkinen van de Universiteit van Jyväskylä, die het computationele deel van het onderzoek leidde.

Häkkinens medewerker, Karoliina Honkala, hoogleraar computationele katalyse, zegt, "Traditioneel, dure op platina gebaseerde katalysatoren worden gebruikt in hydrogeneringsreacties. Deze studie bewijst dat koperhydridedeeltjes op nanoschaal ook fungeren als hydrogeneringskatalysatoren. De resultaten geven hoop dat in de toekomst, het zal mogelijk zijn om effectieve en goedkope op koper gebaseerde katalysatoren te ontwikkelen om gefunctionaliseerde organische moleculen om te zetten in producten met een hogere toegevoegde waarde."