Wetenschappers van het Tokyo Institute of Technology hebben aangetoond dat koperoxidedeeltjes op sub-nanoschaal krachtigere katalysatoren zijn dan die op nanoschaal. Deze subnanodeeltjes kunnen ook veel effectiever de oxidatiereacties van aromatische koolwaterstoffen katalyseren dan de katalysatoren die momenteel in de industrie worden gebruikt. Deze studie effent de weg naar een betere en efficiëntere benutting van aromatische koolwaterstoffen, die belangrijke materialen zijn voor zowel onderzoek als de industrie.

De selectieve oxidatie van koolwaterstoffen is belangrijk in veel chemische reacties en industriële processen, en als zodanig, wetenschappers zijn op zoek geweest naar efficiëntere manieren om deze oxidatie uit te voeren. Koperoxide (CunO _x ) nanodeeltjes zijn nuttig gebleken als katalysator voor de verwerking van aromatische koolwaterstoffen, maar de zoektocht naar nog effectievere verbindingen is voortgezet.

In het recente verleden, wetenschappers pasten op edelmetaal gebaseerde katalysatoren toe die bestaan ​​uit deeltjes op sub-nano niveau. Op dit niveau, deeltjes meten minder dan een nanometer en wanneer geplaatst op geschikte substraten, ze kunnen zelfs grotere oppervlakten bieden dan katalysatoren voor nanodeeltjes om de reactiviteit te bevorderen (Fig. 1).

Bij deze tendens, een team van wetenschappers, waaronder prof. Kimihisa Yamamoto en dr. Makoto Tanabe van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), onderzocht chemische reacties die werden gekatalyseerd door CunO _x subnanodeeltjes (SNP's) om hun prestaties bij de oxidatie van aromatische koolwaterstoffen te evalueren. CunO _x SNP's van drie specifieke formaten (met 12, 28, en 60 koperatomen) werden geproduceerd binnen boomachtige raamwerken die dendrimeren worden genoemd (Fig. 2). Ondersteund op een zirkonia-substraat, ze werden toegepast op de aërobe oxidatie van een organische verbinding met een aromatische benzeenring.

Röntgenfoto-elektronspectroscopie (XPS) en infraroodspectroscopie (IR) werden gebruikt om de structuren van de gesynthetiseerde SNP's te analyseren, en de resultaten werden ondersteund door berekeningen van de dichtheidsfunctionaliteitstheorie (DFT).

De XPS-analyse en DFT-berekeningen onthulden toenemende ioniciteit van de koper-zuurstof (Cu-O) -bindingen naarmate de SNP-grootte afnam. Deze bindingspolarisatie was groter dan die gezien in bulk Cu-O-bindingen, en de grotere polarisatie was de oorzaak van de verhoogde katalytische activiteit van de CunO _x SNP's.

Tanabe en de teamleden merkten op dat de CunO _x SNP's versnelden de oxidatie van de CH ₃ groepen gehecht aan de aromatische ring, wat leidt tot de vorming van producten. Wanneer de CunO _x SNP-katalysator werd niet gebruikt, er werden geen producten gevormd. De katalysator met de kleinste CunO _x SNP's, Cu ₁₂ OS, had de beste katalytische prestaties en bleek het langst mee te gaan.

Zoals Tanabe uitlegt, "de verbetering van de ioniciteit van de Cu-O-bindingen met een afname van de grootte van de CunO _x SNP's zorgen voor een betere katalytische activiteit voor oxidaties van aromatische koolwaterstoffen."

Hun onderzoek ondersteunt de stelling dat er een groot potentieel is voor het gebruik van koperoxide-SNP's als katalysatoren in industriële toepassingen. "De katalytische prestaties en het mechanisme van deze op grootte gecontroleerde gesynthetiseerde CunO _x SNP's zouden beter zijn dan die van edelmetaalkatalysatoren, die momenteel het meest worden gebruikt in de industrie, "Jamamoto zegt, hint naar wat CunO _x SNP's kunnen bereiken in de toekomst.