Wie Nanokatalysatoren auf atomarer Ebene funktionieren
Die Forscher des Nanoscience Center (NSC) an der Universität Jyväskylä, Finnland, und an der Xiamen University, China, haben herausgefunden, wie Kupferpartikel im Nanometerbereich bei der Modifikation einer Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung wirken, wenn Keton-Moleküle zu Alkoholmolekülen werden. Die Modifikation der Kohlenstoff-Sauerstoff- und Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in organischen Molekülen ist ein wichtiger Zwischenschritt bei katalytischen Reaktionen, bei denen das Ausgangsmaterial in wertvolle Endprodukte umgewandelt wird.
Atomare Struktur des Kupferkatalysators, der bei der Hydrierungsreaktion einer Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung verwendet wird. Formaldehyd H2CO (links), das in den Simulationen als Modellmolekül verwendet wird, nimmt zwei Wasserstoffatome aus dem Kupfer auf; sie wandern in die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung, so dass das Molekül in einen einfachen Alkohol (rechts Methanol CH3OH) übergeht. Nach der Reaktion teilt sich ein Wasserstoffmolekül (blau, links) in der Nähe in zwei Wasserstoffatome im Inneren des Kupfers.
Sami Malola, University of Jyväskylä
Das Verständnis der Funktionsweise von Katalysatoren auf der Ebene der atomaren Struktur eines einzelnen Teilchens ermöglicht es, Katalysatoren in die gewünschte Richtung zu entwickeln, um sie effizient und selektiv für ein bestimmtes gewünschtes Endprodukt zu machen. Die Studie wurde in der international anerkannten Publikationsreihe ACS Nano Nanoscience veröffentlicht. In Finnland wurde die Studie von Academy Professor Hannu Häkkinen geleitet.
Die in der Studie verwendeten katalytischen Kupferpartikel wurden an der Xiamen University hergestellt und strukturell charakterisiert, und ihr Betrieb zur Veränderung einer starken Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung in einer Hydrierreaktion wurde von den Forschern des Nanoscience Center (NSC) an der Universität Jyväskylä in Computersimulationen untersucht. Die genaue atomare Struktur der Kupferpartikel wurde durch Röntgenbeugung und Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bestimmt. Es wurde festgestellt, dass die Partikel 25 Kupferatome und zehn Wasserstoffatome enthalten, und es gab 18 Thiole, die die Oberfläche der Partikel schützen. Während die experimentellen Arbeiten in Xiamen ihre hervorragende Leistung bei der katalytischen Hydrierung von Ketonen zeigten, sagten die Simulationen voraus, dass die an den Kupferkern des Teilchens gebundenen Wasserstoffatome als Wasserstoffspeicher wirken, der während einer Reaktion zwei Wasserstoffatome an die Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindung freisetzt. Der Wasserstoffspeicher wird nach der Reaktion wieder aufgefüllt, wenn sich ein an das Partikel gebundenes Wasserstoffmolekül aus seiner Umgebung in zwei Wasserstoffatome aufspaltet, die wieder an den Kupferkern gebunden sind (siehe Bild). Die in Xiamen durchgeführten NMR-Messungen ergaben ein Zwischenprodukt der Reaktion, das die Vorhersagen des Rechenmodells bestätigte.
"Dies ist eines der ersten Mal auf der ganzen Welt, dass es möglich war, zu entdecken, wie ein katalytisches Partikel funktioniert, wenn seine Struktur so genau bekannt ist, dank einer Zusammenarbeit, die sowohl Experimente als auch Simulationen umfasst", sagt Akademieprofessor Hannu Häkkinen von der Universität Jyväskylä, der den computergestützten Teil der Studie leitete.
Häkkinens Mitarbeiterin, Karoliina Honkala, Professorin für Computerkatalyse, fährt fort: "Traditionell werden teure Katalysatoren auf Platinbasis in Hydrierreaktionen eingesetzt. Diese Studie belegt, dass nanoskalige Kupferhydridpartikel auch als Hydrierkatalysatoren wirken. Die Ergebnisse geben Anlass zur Hoffnung, dass es in Zukunft möglich sein wird, effektive und kostengünstige Katalysatoren auf Kupferbasis zu entwickeln, um funktionalisierte organische Moleküle in Produkte mit höherer Wertschöpfung umzuwandeln".
An der Studie nahmen neben Häkkinen und Honkala auch die Postdoc-Forscherin Nisha Mammen, die Doktorandin Sami Kaappa und der Senior Researcher Sami Malola von der Universität Jyväskylä teil. Die von den Gruppen Häkkinen und Honkala durchgeführte Forschung wurde von der Akademie Finnland unterstützt. Die Computersimulationen in der Studie wurden von den Supercomputern des CSC - IT Center for Science durchgeführt. Die experimentelle Arbeit der Studie wurde von der Gruppe um Professor Nanfeng Zheng von der Xiamen University durchgeführt.
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