Wissenschaftler am Tokyo Institute of Technology haben gezeigt, dass Kupferoxidpartikel im Sub-Nanobereich leistungsfähigere Katalysatoren sind als solche im Nanobereich.Diese Subnanopartikel können auch die Oxidationsreaktionen aromatischer Kohlenwasserstoffe weitaus effektiver katalysieren als derzeit in der Industrie eingesetzte Katalysatoren.Diese Studie ebnet den Weg für eine bessere und effizientere Nutzung aromatischer Kohlenwasserstoffe, die wichtige Materialien sowohl für Forschung als auch für die Industrie sind.

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

In der jüngeren Vergangenheit verwendeten Wissenschaftler Katalysatoren auf Edelmetallbasis, die aus Partikeln im Sub-Nano-Bereich bestehen.Auf dieser Ebene sind die Partikel kleiner als ein Nanometer und können bei Platzierung auf geeigneten Substraten sogar noch größere Oberflächen als Nanopartikelkatalysatoren bieten, um die Reaktivität zu fördern.

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 ihre Leistung bei der Oxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe zu bewerten.CunOx-SNPs in drei spezifischen Größen (mit 12, 28 und 60 Kupferatomen) wurden in baumartigen Gerüsten, sogenannten Dendrimeren, hergestellt.Sie wurden auf einem Zirkoniumdioxidsubstrat befestigt und zur aeroben Oxidation einer organischen Verbindung mit einem aromatischen Benzolring eingesetzt.

Zur Analyse der Strukturen der synthetisierten SNPs wurden Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Infrarotspektroskopie (IR) eingesetzt, und die Ergebnisse wurden durch Berechnungen der Dichtefunktionalitätstheorie (DFT) gestützt.

Die XPS-Analyse und DFT-Berechnungen zeigten eine zunehmende Ionizität der Kupfer-Sauerstoff-Bindungen (Cu-O), wenn die SNP-Größe abnahm.Diese Bindungspolarisierung war größer als die, die bei Cu-O-Massenbindungen beobachtet wurde, und die stärkere Polarisation 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 beschleunigten und dadurch zur Bildung von Produkten führten.Wenn der CunOx-SNP-Katalysator nicht verwendet wurde, wurden keine Produkte gebildet.Der Katalysator mit den kleinsten CunOx-SNPs, Cu12Ox, hatte die beste katalytische Leistung und erwies sich als der langlebigste.

Tanabe erklärt: „Die Erhöhung der Ionizität der Cu-O-Bindungen mit abnehmender Größe der CunOx-SNPs ermöglicht deren bessere katalytische Aktivität für die Oxidation aromatischer Kohlenwasserstoffe.“

Ihre Forschung stützt die Behauptung, dass ein großes Potenzial für den Einsatz von Kupferoxid-SNPs als Katalysatoren in industriellen Anwendungen besteht.„Die katalytische Leistung und der Mechanismus dieser größenkontrollierten synthetisierten CunOx-SNPs wären besser als die von Edelmetallkatalysatoren, die derzeit in der Industrie am häufigsten verwendet werden“, sagt Yamamoto und deutet an, was CunOx-SNPs in Zukunft leisten können.

Materialien bereitgestellt vom Tokyo Institute of Technology.Hinweis: Der Inhalt kann hinsichtlich Stil und Länge bearbeitet werden.

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