Die Macht des Kleinmachens: Kupferoxid-Subnanopartikel-Katalysatoren sind am besten

10.02.2020 - Japan

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology haben gezeigt, dass Kupferoxidpartikel auf der Sub-Nanoskala stärkere Katalysatoren sind als solche auf der Nanoskala. Diese Subnanopartikel können auch die Oxidationsreaktionen von aromatischen Kohlenwasserstoffen weitaus effektiver katalysieren als derzeit in der Industrie verwendete Katalysatoren. Diese Studie ebnet den Weg zu einer besseren und effizienteren Nutzung der aromatischen Kohlenwasserstoffe, die sowohl für die Forschung als auch für die Industrie wichtige Materialien sind.

Die selektive Oxidation von Kohlenwasserstoffen ist bei vielen chemischen Reaktionen und industriellen Prozessen wichtig, und als solche haben die Wissenschaftler nach effizienteren Möglichkeiten gesucht, diese Oxidation durchzuführen. Kupferoxid (CunOx)-Nanopartikel haben sich als nützlich als Katalysator für die Verarbeitung aromatischer Kohlenwasserstoffe erwiesen, aber die Suche nach noch wirksameren Verbindungen wurde fortgesetzt.

In der jüngsten Vergangenheit haben Wissenschaftler Katalysatoren auf Edelmetallbasis eingesetzt, die aus Partikeln auf der Sub-Nano-Ebene bestehen. Auf dieser Ebene messen die Partikel weniger als einen Nanometer, und wenn sie auf geeignete Substrate aufgebracht werden, können sie zur Förderung der Reaktivität sogar noch größere Oberflächen als Nanopartikel-Katalysatoren bieten (Abb. 1).

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In diesem Trend untersuchte ein Team von Wissenschaftlern, darunter Prof. Kimihisa Yamamoto und Dr. Makoto Tanabe vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), chemische Reaktionen, die durch CunOx-Subnanopartikel (SNPs) katalysiert werden, um deren Leistung bei der Oxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen zu bewerten. CunOx-SNPs von drei spezifischen Größen (mit 12, 28 und 60 Kupferatomen) wurden innerhalb baumartiger Gerüste, die Dendrimere genannt wurden, hergestellt (Abb. 2). Auf einem Zirkoniumdioxidsubstrat getragen, wurden sie zur aeroben Oxidation einer organischen Verbindung mit einem aromatischen Benzolring eingesetzt.

Die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) und die Infrarot-Spektroskopie (IR) wurden zur Analyse der Strukturen der synthetisierten SNPs verwendet, und die Ergebnisse wurden durch Berechnungen der Dichtefunktionalitätstheorie (DFT) unterstützt.

Die XPS-Analyse und die DFT-Berechnungen zeigten eine zunehmende Ionizität der Kupfer-Sauerstoff-Bindungen (Cu-O) mit abnehmender SNP-Größe. Diese Bindungspolarisation war größer als die, die man bei Cu-O-Massenbindungen sieht, und die größere Polarisierung war die Ursache für die erhöhte katalytische Aktivität der CunOx-SNPs.

Tanabe und die Teammitglieder beobachteten, dass die CunOx-SNPs die Oxidation der an den aromatischen Ring gebundenen CH3-Gruppen beschleunigen und dadurch zur Bildung von Produkten führen. Wenn der CunOx-SNP-Katalysator nicht verwendet wurde, entstanden keine Produkte. Der Katalysator mit den kleinsten CunOx-SNPs, Cu12Ox, hatte die beste katalytische Leistung und erwies sich als der langlebigste.

Wie Tanabe erklärt, "ermöglicht die Erhöhung der Ionizität der Cu-O-Bindungen bei gleichzeitiger Verringerung der Größe der CunOx-SNPs deren bessere katalytische Aktivität für aromatische Kohlenwasserstoff-Oxidationen".

Ihre Forschung unterstützt die Behauptung, dass es ein großes Potenzial für die Verwendung von Kupferoxid-SNPs als Katalysatoren in industriellen Anwendungen gibt. "Die katalytische Leistung und der Mechanismus dieser größenkontrollierten synthetisierten CunOx-SNPs wären besser als die von Edelmetallkatalysatoren, die derzeit am häufigsten in der Industrie verwendet werden", sagt Yamamoto und deutet damit an, was CunOx-SNPs in Zukunft erreichen können.

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