(Phys.org) — Il vecchio pensiero era che l'oro, mentre buono per i gioielli, non era di grande utilità per i chimici perché è relativamente non reattivo. Le cose sono cambiate dieci anni fa, quando gli scienziati hanno trovato una ricca vena di scoperte che hanno rivelato che questo metallo nobile, quando strutturato in particelle di dimensioni nanometriche, può accelerare le reazioni chimiche importanti nella mitigazione degli inquinanti ambientali e nella produzione di specialità chimiche difficili da produrre. Da allora le nanoparticelle catalitiche d'oro hanno stimolato centinaia di articoli su riviste scientifiche. Con il mercato mondiale dei catalizzatori pronto a raggiungere i 19,5 miliardi di dollari entro il 2016, le nanoparticelle d'oro possono avere un'importanza commerciale oltre che intellettuale, in quanto potrebbero alla fine portare a nuovi catalizzatori per l'energia, farmacologia e diversi prodotti di consumo.

Ma prima che le nanoparticelle d'oro possano essere utili ai consumatori, i ricercatori devono renderli stabili e attivi. Recentemente, gli scienziati hanno imparato a creare piccoli, cluster altamente ordinati con un numero molto specifico di atomi d'oro che sono stabilizzati da composti chiamati ligandi. Questi cluster d'oro stabilizzati più ligandi possono essere pensati come grandi molecole. In collaborazione con scienziati della Carnegie Mellon University, i ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia hanno scoperto una nuova molecola d'oro, un catalizzatore contenente esattamente 25 atomi d'oro, che è potente oltre che sofisticato. Catalizza la conversione di una varietà di molecole, compresa la trasformazione del monossido di carbonio velenoso in anidride carbonica innocua, una reazione che può trovare applicazione in dispositivi in ​​prossimità di canne fumarie o stufe a legna. Sfortunatamente, i ligandi che creano e stabilizzano i cluster ingegnerizzati bloccano anche gli stessi siti necessari per catalizzare la conversione del monossido di carbonio in anidride carbonica.

"I leganti sono spade a doppio taglio, " ha affermato il leader dello studio Zili Wu dell'ORNL, la cui indagine è stata condotta nel gruppo di catalisi dell'ORNL, che è guidato da Steve Overbury. "Siamo interessati all'utilizzo di cluster d'oro come catalizzatori o precursori di catalizzatori. I ligandi da un lato stabilizzano la struttura delle particelle d'oro ma dall'altro diminuiscono le loro prestazioni catalitiche. Bilanciare questi due fattori è la chiave per creare un nuovo sistema catalitico. Uno modo è quello di utilizzare un ossido di metallo (qui, cerio ossido) come legante inorganico per stabilizzare i cluster d'oro quando il legante organico deve essere rimosso per la catalisi."

Molti sistemi catalitici sono costituiti da particelle metalliche con proprietà catalitiche poste su un supporto di ossido metallico con proprietà catalitiche proprie. Il metallo e l'ossido di metallo lavorano insieme per creare un nuovo tipo di attività catalitica. "Stiamo cercando di capire come ciò accada, " disse Wu.

Il loro studio, pubblicato in Giornale della Società Chimica Americana , ha descritto come i ligandi hanno consentito al nanocluster d'oro di agganciarsi a un supporto di ossido di cerio a forma di asta. I catalizzatori prodotti erano tutti identici. I ricercatori vorrebbero progettare futuri supporti di ossido sotto forma di cubi o ottaedri per scoprire come quelle nanostrutture potrebbero alterare la configurazione dell'oro e la reattività del sistema di componenti finali. Una migliore comprensione degli agenti stabilizzanti può aiutare la progettazione di nuovi catalizzatori per reazioni chimiche critiche tra cui l'ossidazione, idrogenazione e accoppiamento.

Carnegie Mellon Professor Rongchao Jin, la sua studentessa Chenjie Zeng e i borsisti post-dottorato dell'ORNL Amanda Mann e Zhen-An Qiao hanno sintetizzato i cluster d'oro. Mann ha realizzato le barre di ossido di cerio. Wu e Mann posizionarono i grappoli d'oro sui supporti ed eseguirono studi di reazione chimica. David Mullins di ORNL ha eseguito misurazioni della struttura fine dell'assorbimento di raggi X esteso per apprendere come le dimensioni degli ammassi cambiano con la temperatura. Larry Allard dell'ORNL ha verificato la natura delle strutture con la microscopia corretta per l'aberrazione, e De-en Jiang, precedentemente di ORNL ma ora presso l'Università della California-Riverside, ha utilizzato l'Oak Ridge Institutional Cluster per esplorare computazionalmente le strutture dei cluster d'oro legati al ligando.

Attivazione dell'oro

"Questi ligandi influenzano la reattività—essenzialmente avvelenano la superficie dell'oro—quindi l'oro deve davvero essere attivato, "Overseppellire, l'autore senior dello studio, spiegato. "Abbiamo messo l'oro su un supporto, e ha questi ligandi che lo proteggono. Dobbiamo rimuovere quei ligandi, quindi fondamentalmente riscaldiamo questo [nanocluster d'oro] o lo trattiamo in un certo gas a temperature elevate".

Quando i grappoli d'oro sono riscaldati, i ligandi iniziano a staccarsi e l'attività catalitica dell'oro aumenta. La temperatura ottimale per la produzione di catalizzatori nanocluster d'oro per l'ossidazione del monossido di carbonio è 498 Kelvin (225 gradi Celsius o 437 gradi Fahrenheit), ha detto Wu. Se il riscaldamento aumenta ulteriormente, l'attività catalitica diminuisce perché le particelle d'oro diventano fluide e si aggregano sul supporto.

Next the scientists are interested in varying the gold-cluster size and stabilizing the new clusters to make novel uniform catalysts. "We want to understand how other kinds of reactions can be catalyzed by these. So far we've only looked at carbon monoxide oxidation, which is kind of a test reaction, " Overbury said. "Our primary interest is using the gold-nanocluster complex as a toolbox for learning about how other complex reactions occur."

Added Overbury, "We're only just starting to mine all the catalytic possibilities for gold."

DOE's Office of Science sponsored the research described in the Giornale della Società Chimica Americana carta. Raman and Fourier transform infrared spectroscopies and catalytic measurements were conducted at the Center for Nanophase Materials Sciences, un DOE Office of Science User Facility presso l'ORNL. Extended X-ray absorption fine structure work was performed at the National Synchrotron Light Source, which is also a DOE Office of Science User Facility, at Brookhaven National Laboratory.