La sintesi del modello di SNP in lega metallica coniata utilizzando il metodo di ibridazione atomica. Tre elementi in metallo (oro, d'argento, rame) sono miscelati qui in un SNP su una scala di un nanometro. Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
A causa delle loro piccole dimensioni, le nanoparticelle trovano svariate applicazioni in campi che vanno dalla medicina all'elettronica. La loro piccola dimensione consente loro un'elevata reattività e proprietà semiconduttive non riscontrabili negli stati bulk. Le sub-nanoparticelle (SNP) hanno un diametro estremamente piccolo di circa 1 nm, rendendoli ancora più piccoli delle nanoparticelle. Quasi tutti gli atomi di SNP sono disponibili ed esposti per reazioni, e quindi, Gli SNP dovrebbero avere funzioni straordinarie al di là delle proprietà delle nanoparticelle, in particolare come catalizzatori per reazioni industriali. Però, la preparazione degli SNP richiede un controllo fine della dimensione e della composizione di ciascuna particella su una scala sub-nanometrica, rendendo quasi impossibile l'applicazione di metodi di produzione convenzionali.
Per superare questo, i ricercatori del Tokyo Institute of Technology guidati dal Dr. Takamasa Tsukamoto e dal Prof. Kimihisa Yamamoto hanno precedentemente sviluppato il metodo di ibridazione atomica (AHM) che supera le precedenti prove di sintesi SNP. Utilizzando questa tecnica, è possibile controllare con precisione e progettare in modo diverso la dimensione e la composizione degli SNP utilizzando un "modello macromolecolare" chiamato fenilazometina dendrimero. Ciò migliora la loro attività catalitica rispetto ai catalizzatori NP.
Ora, nel loro ultimo studio pubblicato su Angewandte Chemie Edizione Internazionale , il team ha compiuto un ulteriore passo avanti nella ricerca e ha studiato la reattività chimica degli SNP di lega ottenuti attraverso l'AHM. "Abbiamo creato monometallico, bimetallico, e SNP trimetallici (contenenti uno, combinazione di due, e combinazione di tre metalli rispettivamente), tutti composti da elementi metallici di conio (rame, d'argento, e oro), e testato ciascuno per vedere quanto è buono come catalizzatore ciascuno di loro, " riferisce il Dr. Tsukamoto. La loro attività catalitica è stata testata nella reazione di ossidazione delle olefine, composti costituiti da idrogeno e carbonio con ampi usi industriali.
Generazione selettiva di idroperossido da idrocarburi catalizzati da SNP di lega composti da metalli con ruoli individuali (a). Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
A differenza delle corrispondenti nanoparticelle, gli SNP creati sono risultati stabili e più efficaci. Inoltre, Gli SNP hanno mostrato un'elevata prestazione catalitica anche nelle condizioni più miti, in diretto contrasto con i catalizzatori convenzionali. Monometallico, bimetallico, e gli SNP trimetallici hanno dimostrato la formazione di diversi prodotti, e questa ibridazione o combinazione di metalli sembrava mostrare una maggiore frequenza di turnover (TOF). La combinazione trimetallica "Au 4 Ag 8 Cu 16 " ha mostrato il TOF più alto perché ogni elemento metallico gioca un ruolo unico, e questi effetti lavorano di concerto per contribuire ad un'elevata attività di reazione.
Per di più, SNP idroperossido creato selettivamente, che è un composto ad alta energia che normalmente non può essere ottenuto a causa dell'instabilità (vedi Figura 2). Reazioni lievi senza alta temperatura e pressione realizzate nei catalizzatori SNP hanno portato alla formazione stabile di idroperossido sopprimendo la sua decomposizione.
Attività catalitica potenziata dal meccanismo concertato di due effetti:la miniaturizzazione delle strutture e l'ibridazione dei metalli (b). Credito:Istituto di tecnologia di Tokyo
Alla domanda sulla rilevanza di questi risultati, Il professor Yamamoto afferma:"Dimostriamo per la prima volta in assoluto, che l'idroperossigenazione dell'olefina può essere catalizzata in condizioni estremamente blande utilizzando particelle metalliche nell'intervallo di dimensioni quantistiche. La reattività è stata notevolmente migliorata nei sistemi legati soprattutto per le combinazioni trimmetalliche, che non è stato studiato in precedenza."
Il team ha sottolineato che a causa dell'estrema miniaturizzazione delle strutture e dell'ibridazione di diversi elementi, i metalli da conio acquisivano una reattività sufficientemente elevata da catalizzare l'ossidazione anche in condizioni blande. Questi risultati si dimostreranno una chiave pionieristica nella scoperta di sub-nanomateriali innovativi da un'ampia varietà di elementi e possono risolvere le crisi energetiche ei problemi ambientali negli anni a venire.
