De sleutel tot chemische reacties zit in de naam - er moet iets zijn dat ervoor zorgt dat de chemicaliën op elkaar reageren. Deze component, een katalysator genoemd, induceert of versnelt reacties op een gecontroleerde manier om een ​​gewenst resultaat te produceren. De katalysatoren die in verschillende industrieën worden gebruikt, zijn vaak samengesteld uit edele metalen, die niet efficiënt genoeg zijn om hun hoge kosten te compenseren. Om dit probleem aan te pakken voor de chemische reactie van het toevoegen van waterstof, hydrogenering genaamd, aan chinoline, een molecuul dat belangrijk is in de farmaceutische productie, hebben in China gevestigde onderzoekers een zeer effectieve katalysator ontwikkeld die bestaat uit synergetische nanodeeltjes en enkele atomen van iridium.

Ze publiceerden hun aanpak op 22 maart in Nano Research .

"Selectieve hydrogenering van chinoline en zijn derivaten tot de overeenkomstige producten hebben brede toepassingen in de fijnchemische en farmaceutische industrie", zegt co-corresponderende auteur Changyan Cao, onderzoeker in het Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences (ICCAS) en University of Chinese Academy van Wetenschappen (UCAS). "Chinolines zijn een belangrijke klasse verbindingen voor toegang tot tetrahydrochinoline-producten die veel worden aangetroffen in medicijnmoleculen, maar meestal zijn edelmetaalkatalysatoren nodig om deze reactie te produceren. Als zodanig is het van groot belang om de activiteit en de gebruiksefficiëntie van edele metalen te verbeteren vanwege hun hoge prijs."

De onderzoekers concentreerden zich op katalysatoren met één atoom, waarvan Cao zei dat ze een hot topic zijn geworden op het gebied van katalyse vanwege de manier waarop ze de voordelen van zowel homogene als heterogene katalysatoren kunnen samenvoegen. De homogene katalysatoren bevorderen een uniforme reactie, maar heterogene katalysatoren kunnen een reactie met een hogere opbrengst induceren. Het probleem is volgens Cao dat katalysatoren met één atoom geen metaal-metaalbinding hebben. Zonder deze binding om mee te fuseren, wordt waterstof door een ander pad gedwongen, wat resulteert in minder algehele hydrogenering.

"Omdat waterstof gemakkelijker dissocieert in overeenkomende paren op nanodeeltjes van edele metalen, bijvoorbeeld tot waterstofatomen, en het algemeen bekend is dat waterstofatomen overlopen, veronderstelden we dat waterstofatomen gevormd op metalen nanodeeltjes ook zouden kunnen migreren naar enkele metalen locaties voor hydrogenering, " Cao legde uit dat de initiële hydrogeneringsactiviteit tussen de voorgestelde katalysator en het substraat in wezen een secundaire fase van waterstofatomen zou produceren die in staat zijn om het katalyseproces voort te zetten. "Door zo'n ontwerp kunnen de bovengenoemde problemen worden opgelost."

Om zo'n katalysator te ontwerpen, verspreidden de onderzoekers enkele atomen van iridium - het edelmetaal met de hoogste gerapporteerde intrinsieke activiteit voor hydrogenering van chinoline - en nanodeeltjes in een koolstofdrager. Bij toepassing van chinoline bleek de reactie efficiënter dan wanneer alleen iridiumatomen of alleen nanodeeltjes werden gebruikt.

"Het construeren van een synergetische katalysator verandert het reactiepad om te profiteren van plaatsen met één atoom bij activering van substraat en nanodeeltjes bij dissociatie van waterstof", zegt co-corresponderende auteur Weiguo Song, professor aan ICCAS en UCAS. "Al deze functies samen dragen bij aan de sterk verbeterde hydrogeneringsprestaties in vergelijking met de tegenhanger enkel-atoomkatalysator en nanodeeltjeskatalysator alleen."

Hoewel de ontwikkelde synergetische katalysator de behoefte aan edelmetalen niet wegneemt, vermindert het wel de hoeveelheid die nodig is voor een betere reactie.

"We hebben een efficiënte strategie voorgesteld en bevestigd om de katalytische activiteit voor hydrogenering van chinoline te stimuleren door een synergetische katalysator van iridium-enkele atomen en nanodeeltjes te construeren, waardoor de activiteitsbeperkingen van katalysatoren met één atoom worden opgelost," zei Song. "Vervolgens zullen we ons onderzoek uitbreiden naar andere metaalkatalysatoren en hydrogeneringsreacties om de universaliteit van synergetische katalyse aan te tonen." + Verder verkennen

Ontdekking van een nieuwe katalysator voor zeer actieve en selectieve hydrogenering van kooldioxide tot methanol