Katalysatoren zijn alomtegenwoordig, hetzij in de vorm van een enzym in het lichaam dat voedsel verteert of de katalysator in de auto die verontreinigende stoffen afbreekt. Katalysatoren spelen een belangrijke rol bij het efficiënter maken van chemische reacties. Onlangs, atomair nauwkeurige metalen nanoclusters (NC's) die verschillende thermische, elektrochemisch, en fotochemische reacties zijn gebruikt om bruikbare katalysatoren te ontwerpen. Deze NC's zijn kleine deeltjes (minder dan 2 nanometer) waarvan de eigenschappen kunnen worden gewijzigd door hun atomaire samenstelling te veranderen. Metal NC's hebben veel aandacht gekregen, met wetenschappers die verschillende manieren proberen te vinden om NC's met unieke functies te synthetiseren.

Een populaire manier om atomair nauwkeurige metalen NC's te fabriceren, is het gebruik van liganden (moleculen of ionen die zich hechten aan een centrale metalen kern). Deze liganden beschermen niet alleen de kleine NC's, maar beïnvloeden ook hun chemische reactiviteit en selectiviteit. Soms, echter, de reactiviteit is lager dan verwacht.

Om de katalytische activiteit van ligand-beschermde metalen NC's te verhogen, ze worden verwarmd in een oven bij hoge temperaturen zonder zuurstof (een proces dat "calcinering" wordt genoemd) om de liganden uit het hoofdcluster te verwijderen. Echter, het verhitten van de deeltjes bij zeer hoge temperaturen kan ervoor zorgen dat de NC's zich ophopen, vaak leidend tot een afname van de reactiviteit. "Als de liganden worden verwijderd zonder speciale behandeling, de metalen NC's aggregeren gemakkelijk op de drager en verliezen hun maatspecifieke eigenschappen. Het is essentieel om het mechanisme van ligandcalcinering te begrijpen om onder geschikte omstandigheden zeer functionele heterogene katalysatoren te creëren, " zegt Prof. Yuichi Negishi van de Tokyo University of Science, Japan, die onderzoek doet naar de synthese van nanoclusters.

In een nieuwe studie gepubliceerd in Angewandte Chemie , Prof. Negishi leidde een team van onderzoekers, waaronder assistent-professor Tokuhisa Kawawaki, Meneer Yuki Kataoka, mevrouw Momoko Hirata, en meneer Yuki Akinaga, om diep in het mechanisme van het ligandverwijderingsproces in NC's te graven. Voor hun experimenten, de onderzoekers synthetiseerden gouden NC's beschermd door twee liganden, 2-fenylethaanthiolaat en mercaptobenzoëzuur en ondersteunde ze vervolgens op een fotokatalytisch metaaloxide. Volgende, het team verwarmde het voorbereide materiaal op verschillende temperaturen van 195 ° C tot 500 ° C. Na elke stap, ze analyseerden de producten met behulp van technieken zoals infraroodspectroscopie, Röntgen foto-elektrische pectroscopie, en transmissie-elektronenmicroscopie om de veranderingen in hun chemische samenstelling te identificeren.

Nadat de liganden volledig waren vrijgegeven, het team heeft de gouden NC's ingebed in een dunne film van chroomoxide door het monster te bestralen met UV-licht om aggregatie van de NC's te voorkomen. Dit proces genereerde een fotokatalysator met nuttige eigenschappen zoals een hoge watersplitsingsactiviteit en stabiliteit.

Deze bevindingen vormen een leidraad voor het ontwerp voor op metaal NC gebaseerde katalysatoren in de toekomst, met toepassingen in waterstofopwekking voor waterstofbrandstofcellen. "Met ons onderzoek we hopen een schoon, duurzaam, maatschappij, een steen tegelijk, " concludeert prof. Negishi.