Forskare vid Tokyo Institute of Technology har visat att kopparoxidpartiklar på sub-nanoskala är mer kraftfulla katalysatorer än de på nanoskala.Dessa subnanopartiklar kan också katalysera aromatiska kolvätens oxidationsreaktioner mycket mer effektivt än katalysatorer som för närvarande används inom industrin.Denna studie banar väg för ett bättre och mer effektivt utnyttjande av aromatiska kolväten, som är viktiga material för både forskning och industri.

Den selektiva oxidationen av kolväten är viktig i många kemiska reaktioner och industriella processer, och som sådan har forskare letat efter effektivare sätt att utföra denna oxidation.Kopparoxid (CunOx) nanopartiklar har visat sig användbara som en katalysator för bearbetning av aromatiska kolväten, men jakten på ännu mer effektiva föreningar har fortsatt.

På senare tid använde forskare ädelmetallbaserade katalysatorer bestående av partiklar på subnanonivå.På denna nivå mäter partiklar mindre än en nanometer och när de placeras på lämpliga substrat kan de erbjuda ännu högre ytareor än nanopartikelkatalysatorer för att främja reaktivitet.

I denna trend undersökte ett team av forskare inklusive Prof. Kimihisa Yamamoto och Dr. Makoto Tanabe från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) kemiska reaktioner katalyserade av CunOx-subnanopartiklar (SNP) för att utvärdera deras prestanda i oxidation av aromatiska kolväten.CunOx SNPs av tre specifika storlekar (med 12, 28 och 60 kopparatomer) producerades inom trädliknande ramverk som kallas dendrimerer.Understödda på ett zirkoniumoxidsubstrat applicerades de på aerob oxidation av en organisk förening med en aromatisk bensenring.

Röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) och infraröd spektroskopi (IR) användes för att analysera de syntetiserade SNPs strukturer, och resultaten stöddes av beräkningar av densitetsfunktionalitetsteori (DFT).

XPS-analysen och DFT-beräkningarna avslöjade ökande jonicitet hos koppar-syrebindningarna (Cu-O) när SNP-storleken minskade.Denna bindningspolarisering var större än den som sågs i bulk Cu-O-bindningar, och den större polariseringen var orsaken till den förbättrade katalytiska aktiviteten hos CunOx SNP.

Tanabe och teammedlemmarna observerade att CunOx SNPs påskyndade oxidationen av CH3-grupperna fästa vid den aromatiska ringen, vilket ledde till bildandet av produkter.När CunOx SNP-katalysatorn inte användes bildades inga produkter.Katalysatorn med de minsta CunOx SNP:erna, Cu12Ox, hade den bästa katalytiska prestandan och visade sig vara den som varar längst.

Som Tanabe förklarar, "förbättringen av joniciteten hos Cu-O-bindningarna med minskad storlek på CunOx SNP möjliggör deras bättre katalytiska aktivitet för aromatiska kolväteoxidationer."

Deras forskning stödjer påståendet att det finns stor potential för att använda kopparoxid-SNP som katalysatorer i industriella tillämpningar."Den katalytiska prestandan och mekanismen för dessa storlekskontrollerade syntetiserade CunOx SNPs skulle vara bättre än de för ädelmetallkatalysatorer, som är vanligast i industrin för närvarande," säger Yamamoto och antyder vad CunOx SNP kan uppnå i framtiden.

Material tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology.Obs! Innehållet kan redigeras för stil och längd.

Få de senaste vetenskapsnyheterna med ScienceDailys kostnadsfria nyhetsbrev via e-post, som uppdateras dagligen och varje vecka.Eller se uppdaterade nyhetsflöden varje timme i din RSS-läsare:

Berätta för oss vad du tycker om ScienceDaily - vi välkomnar både positiva och negativa kommentarer.Har du problem med att använda sidan?Frågor?