Ogni molecola di dendrimero ospita una particella metallica di dimensioni subnanometriche che consente l'ossidazione degli idrocarburi aromatici, come il toluene (a sinistra), per produrre composti organici utili, come l'acido benzoico (a destra). Le molecole di ossigeno sono rappresentate in rosso. Credito: Angewandte Chemie
Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno prodotto particelle metalliche di dimensioni subnano che sono fino a 50 volte più efficaci dei noti nanocatalizzatori bimetallici Au-Pd.
L'ossidazione degli idrocarburi aromatici è di fondamentale importanza per la produzione di una grande varietà di composti organici utili. Questi processi di ossidazione richiedono l'uso di catalizzatori e solventi, che di solito sono pericolosi per l'ambiente. Così, trovare un processo di ossidazione privo di solventi utilizzando particelle catalitiche nanometriche ha attirato una notevole attenzione.
interessante, particelle catalitiche sub-nanoscala (subnanocatalizzatori, o SNC) composti da metalli nobili sono ancora migliori nel loro lavoro perché la loro maggiore area superficiale e lo stato elettronico unico si traduce in effetti favorevoli per l'ossidazione degli idrocarburi e impedisce anche loro di ossidarsi. Ciò li rende convenienti perché la quantità di metallo richiesta per gli SNC è inferiore rispetto ai catalizzatori di dimensioni nanometriche.
Una squadra che includeva il dottor Miftakhul Huda, Keigo Minamisawa, Dott. Takamasa Tsukamoto, e il dottor Makoto Tanabe al Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), guidato dal Prof. Kimihisa Yamamoto, creato più tipi di SNC utilizzando dendrimeri, che sono molecole sferiche ad albero che possono essere utilizzate come stampo per contenere i catalizzatori desiderati. "Ci si aspetta che i dendrimeri forniscano nanospazi interni che potrebbero essere adatti per la conversione catalitica in presenza di particelle metalliche, " spiega Yamamoto .
I nanocatalizzatori più grandi e i SNC ossofili si ossidano sulla loro superficie, il che li rende meno efficaci come catalizzatori per l'ossidazione degli idrocarburi nel tempo. Però, SNC meno ossofili li rendono catalizzatori molto efficaci e riutilizzabili. Credito: Angewandte Chemie
Il team ha creato catalizzatori di diverse dimensioni, a seconda del metallo nobile utilizzato e del numero di atomi di ciascuna particella catalitica. Hanno confrontato le loro prestazioni per trovare il miglior metallo nobile per produrre SNC e poi hanno esplorato il meccanismo alla base della loro elevata attività catalitica. I SNC più piccoli sono risultati migliori, mentre i metalli meno ossofili (come il platino) erano superiori. Il team ha postulato che la superficie dei SNC di platino non si ossida facilmente, che li rende riutilizzabili. Pt19 SNC ha mostrato prestazioni catalitiche fino a 50 volte più efficaci dei comuni nanocatalizzatori Au-Pd. Il team continuerà a lavorare per far luce su questi fenomeni catalitici.
"Lo sviluppo di un meccanismo più dettagliato che includa considerazioni teoriche è attualmente in corso, " dice Tanabe. Le applicazioni di tali catalizzatori potrebbero contribuire notevolmente a ridurre l'inquinamento e migliorare il nostro uso efficace delle risorse metalliche della Terra.
(a) Il platino meno ossofilo era superiore ad altri metalli nobili nell'ossidazione aerobica del toluene. (b) Il Pt19 SNC era la più alta prestazione catalitica tra gli altri Pt SNC tra 12 e 28 atomi. Credito: Angewandte Chemie
