Een groep materiaalwetenschappers van het Tokyo Institute of Technology heeft aangetoond dat een op palladium gebaseerde intermetallische elektroden, Y ₃ Pd ₂ , kan de efficiëntie van koolstof-koolstof kruiskoppelingsreacties verbeteren. Hun bevindingen wijzen de weg naar een duurzamere wereld door middel van katalyse.

Onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) hebben een elektrodenmateriaal ontwikkeld dat bestaat uit yttrium en palladium (Y ₃ Pd ₂ ) als katalysator voor Suzuki kruiskoppelingsreacties. Deze reacties behoren tot de meest gebruikte voor de vorming van koolstof-koolstofbindingen in de organische en medicinale chemie.

Y ₃ Pd ₂ werd voorspeld als een effectieve elektrode op basis van theoretische berekeningen, legt Tian-Nan Ye uit, een assistent-professor bij Tokyo Tech's Materials Research Center for Element Strategy en eerste auteur van de studie gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "In een elektrode, anionische elektronen worden gevangen in interstitiële plaatsen en hebben doorgaans een sterk elektronendonatie-effect, " zegt hij. "Deze functie motiveerde ons om Y . toe te passen ₃ Pd ₂ als een Suzuki-koppelingsreactiekatalysator omdat de reactiebarrière van de snelheidsbepalende stap kan worden onderdrukt door elektronenoverdracht van het elektroden naar de substraten."

Bij laboratoriumtesten, de katalytische activiteit van Y ₃ Pd ₂ bleek tien keer hoger te zijn dan die bereikt door een zuivere Pd-katalysator, en de activeringsenergie werd met 35% verminderd.

Wat maakt Y ₃ Pd ₂ zo efficiënt en stabiel is de succesvolle opname van actieve Pd-atomen in een intermetallisch elektrodenrooster. "De gestabiliseerde Pd-actieve plaatsen in ons kristallijne rooster lossen de problemen van aggregatie en uitloging op die zich vaak hebben voorgedaan in andere systemen die tot nu toe zijn gemeld, ", zegt Ye. "Dit maakt onze katalysator extreem robuust en stabiel voor langdurig gebruik, zonder deactivering."

De herbruikbaarheid van de katalysator (tot 20 cycli) en het relatieve gemak waarmee Pd-atomen kunnen worden teruggewonnen, is een belangrijke stap naar meer duurzaamheid in de chemische industrie.

Het idee om yttrium en palladium te combineren werd aangewakkerd door het werk van Jens Kehlet Nørskov, nu aan de Stanford University, zegt je. In 2009, Nørskov en collega's publiceerden baanbrekende bevindingen over katalysatoren gemaakt van platina gelegeerd met vroege overgangsmetalen, inclusief yttrium. Vanaf dat moment, veel groepen hebben nieuwe combinaties van intermetallische verbindingen onderzocht (bestaande uit een zeldzaam aardmetaal en een actief overgangsmetaal), met als doel veel efficiëntere katalysatoren voor de chemische industrie te ontwikkelen.

Door een reeks berekeningen en experimentele studies, Ye en zijn team lieten zien dat Y ₃ Pd ₂ heeft een sterk elektronendonerend effect dat gepaard gaat met een lage werkfunctie en een hoge dragerdichtheid - kenmerken die de katalysator in staat stellen te werken met een veel lagere activeringsenergie dan die van een zuivere Pd-katalysator.

Een resterende uitdaging is het relatief lage oppervlak van Y ₃ Pd ₂ . Om dit probleem aan te pakken, het team gebruikte een verpulveringstechniek genaamd kogelmalen en vergeleek de katalytische activiteit met verschillende oplosmiddelen zoals heptaan en ethanol. In alle tot nu toe onderzochte monsters het team ontdekte dat de reactiesnelheid van de Suzuki-koppeling toenam in verhouding tot de toename van het oppervlak. Deze eerste resultaten zijn "zeer veelbelovend, " zegt Ja, wat suggereert dat "de katalytische prestaties kunnen worden verbeterd door verdere nanokristallisatie."