I catalizzatori sono onnipresenti, sia sotto forma di un enzima nel corpo che digerisce il cibo o del convertitore catalitico nell'auto che scompone gli inquinanti. I catalizzatori svolgono un ruolo importante nel rendere più efficienti le reazioni chimiche. Recentemente, nanocluster metallici atomicamente precisi (NC) in grado di accelerare vari fattori termici, elettrochimico, e reazioni fotochimiche sono state utilizzate per progettare catalizzatori utili. Queste NC sono minuscole particelle (meno di 2 nanometri) le cui proprietà possono essere modificate cambiando la loro composizione atomica. Le NC in metallo hanno ricevuto una notevole attenzione, con scienziati che cercano di trovare vari modi per sintetizzare NC con funzioni uniche.

Un modo popolare di fabbricare NC metallici atomicamente precisi consiste nell'utilizzare ligandi (molecole o ioni che si attaccano a un nucleo metallico centrale). Questi ligandi non solo proteggono le minuscole NC, ma influenzano anche la loro reattività chimica e selettività. Qualche volta, però, la reattività è inferiore al previsto.

Per aumentare l'attività catalitica delle NC metalliche protette da ligando, vengono riscaldati in una fornace ad alte temperature senza ossigeno (un processo chiamato "calcinazione") per rimuovere i ligandi dal cluster principale. Però, riscaldare le particelle a temperature molto elevate può causare l'accumulo di NC, spesso portando a una diminuzione della reattività. "Quando i ligandi vengono rimossi senza un trattamento speciale, le NC metalliche si aggregano facilmente sul supporto e perdono le proprietà dimensionali specifiche. È essenziale comprendere il meccanismo della calcinazione del ligando per creare catalizzatori eterogenei altamente funzionali in condizioni appropriate, " afferma il Prof. Yuichi Negishi della Tokyo University of Science, Giappone, che ricerca sulla sintesi dei nanocluster.

In un nuovo studio pubblicato su Angewandte Chemie , Il Prof. Negishi ha guidato un team di ricercatori, tra cui l'assistente professore Tokuhisa Kawawaki, Signor Yuki Kataoka, Signora Momoko Hirata, e il signor Yuki Akinaga, per scavare in profondità nel meccanismo del processo di rimozione del ligando nelle NC. Per i loro esperimenti, i ricercatori hanno sintetizzato NC d'oro protetti da due ligandi, 2-fenilentiolato e acido mercaptobenzoico e poi li ha supportati su un ossido metallico fotocatalitico. Prossimo, il team ha riscaldato il materiale preparato a diverse temperature che vanno da 195 gradi C a 500 gradi C. Dopo ogni passaggio, hanno analizzato i prodotti utilizzando tecniche come la spettroscopia infrarossa, Spettroscopia fotoelettronica a raggi X, e microscopia elettronica a trasmissione per identificare i cambiamenti nella loro composizione chimica.

Dopo che i ligandi sono stati completamente rilasciati, il team ha incorporato le NC d'oro all'interno di un sottile film di ossido di cromo irradiando il campione con luce UV per prevenire l'aggregazione delle NC. Questo processo ha generato un fotocatalizzatore con proprietà utili come un'elevata attività di scissione dell'acqua e stabilità.

Questi risultati guidano la progettazione di catalizzatori metallici a base di NC in futuro, con applicazioni nella generazione di idrogeno per celle a combustibile a idrogeno. "Con la nostra ricerca, speriamo di costruire un pulito, sostenibile, società, un mattone alla volta, " conclude il prof. Negishi.