Gli scienziati del Tokyo Institute of Technology hanno dimostrato che le particelle di ossido di rame su scala sub-nano sono catalizzatori più potenti di quelle su scala nanometrica. Queste subnanoparticelle possono anche catalizzare le reazioni di ossidazione degli idrocarburi aromatici molto più efficacemente dei catalizzatori attualmente utilizzati nell'industria. Questo studio apre la strada a un utilizzo migliore e più efficiente degli idrocarburi aromatici, che sono materiali importanti sia per la ricerca che per l'industria.

L'ossidazione selettiva degli idrocarburi è importante in molte reazioni chimiche e processi industriali, e come tale, gli scienziati sono alla ricerca di modi più efficienti per eseguire questa ossidazione. Ossido di rame (CunO _X ) le nanoparticelle si sono rivelate utili come catalizzatore per la lavorazione di idrocarburi aromatici, ma la ricerca di composti ancora più efficaci è continuata.

Nel recente passato, gli scienziati hanno applicato catalizzatori a base di metalli nobili costituiti da particelle a livello sub-nano. A questo livello, le particelle misurano meno di un nanometro e se posizionate su substrati appropriati, possono offrire aree superficiali ancora più elevate rispetto ai catalizzatori di nanoparticelle per promuovere la reattività (Fig. 1).

In questa tendenza, un team di scienziati tra cui il Prof. Kimihisa Yamamoto e il Dr. Makoto Tanabe del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ha studiato le reazioni chimiche catalizzate da CunO _X subnanoparticelle (SNP) per valutarne le prestazioni nell'ossidazione degli idrocarburi aromatici. CunO _X SNP di tre dimensioni specifiche (con 12, 28, e 60 atomi di rame) sono stati prodotti all'interno di strutture ad albero chiamate dendrimeri (Fig. 2). Supportato su un substrato di zirconia, sono stati applicati all'ossidazione aerobica di un composto organico con un anello benzenico aromatico.

La spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) e la spettroscopia infrarossa (IR) sono state utilizzate per analizzare le strutture degli SNP sintetizzati, ei risultati sono stati supportati da calcoli della teoria della funzionalità della densità (DFT).

L'analisi XPS e i calcoli DFT hanno rivelato l'aumento della ionicità dei legami rame-ossigeno (Cu-O) man mano che la dimensione SNP diminuiva. Questa polarizzazione del legame era maggiore di quella osservata nei legami Cu-O alla rinfusa, e la maggiore polarizzazione era la causa dell'aumentata attività catalitica del CunO _X SNP.

Tanabe e i membri del team hanno osservato che il CunO _X Gli SNP accelerano l'ossidazione del CH ₃ gruppi attaccati all'anello aromatico, portando così alla formazione di prodotti. Quando il CunO _X Il catalizzatore SNP non è stato utilizzato, non si sono formati prodotti. Il catalizzatore con il CunO . più piccolo _X SNP, Cu ₁₂ Bue, ha avuto le migliori prestazioni catalitiche e ha dimostrato di essere la più duratura.

Come spiega Tanabe, "il potenziamento della ionicità dei legami Cu-O con diminuzione delle dimensioni del CunO _X Gli SNP consentono la loro migliore attività catalitica per le ossidazioni di idrocarburi aromatici".

La loro ricerca supporta la tesi secondo cui esiste un grande potenziale per l'utilizzo di SNP di ossido di rame come catalizzatori nelle applicazioni industriali. "Le prestazioni catalitiche e il meccanismo di questi CunO . sintetizzati a dimensione controllata _X Gli SNP sarebbero migliori di quelli dei catalizzatori di metalli nobili, che sono più comunemente usati nell'industria attualmente, "Yamamoto dice, alludendo a cosa CunO _X SNP possono raggiungere in futuro.