Metallische Nanopartikel eröffnen einen weiteren Weg zu umweltfreundlichen Katalysatoren.

Wissenschaftler des Tokyo Institute of Technology produzierten subnanogroße Metallpartikel, die bis zu 50-mal effektiver sind als bekannte Au-Pd-Bimetall-Nanokatalysatoren.

Die Oxidation von aromatischen Kohlenwasserstoffen ist von entscheidender Bedeutung für die Herstellung einer Vielzahl von nützlichen organischen Verbindungen. Diese Oxidationsprozesse erfordern den Einsatz von Katalysatoren und Lösungsmitteln, die in der Regel umweltgefährdend sind. So hat die Suche nach einem lösungsmittelfreien Oxidationsprozess mit nanoskaligen katalytischen Partikeln große Aufmerksamkeit erregt.

Interessanterweise sind sub-nanoskalige katalytische Partikel (Subnanokatalysatoren oder SNCs), die aus Edelmetallen bestehen, bei ihrer Arbeit noch besser, da ihre vergrößerte Oberfläche und ihr einzigartiger elektronischer Zustand günstige Auswirkungen auf die Oxidation von Kohlenwasserstoffen haben und sie auch verhindern, dass sie selbst oxidiert werden. Dies macht sie kostengünstig, da die für SNCs benötigte Metallmenge geringer ist als bei Katalysatoren in Nanogröße.

Ein Team bestehend aus Dr. Miftakhul Huda, Keigo Minamisawa, Dr. Takamasa Tsukamoto und Dr. Makoto Tanabe vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) unter der Leitung von Prof. Kimihisa Yamamamoto entwickelte mehrere Arten von SNCs unter Verwendung von Dendrimeren, die baumartige kugelförmige Moleküle sind, die als Vorlage für die gewünschten Katalysatoren verwendet werden können. „Von Dendrimeren wird erwartet, dass sie interne Nanoräume bereitstellen, die für die katalytische Umwandlung in Gegenwart von Metallpartikeln geeignet sein könnten“, erklärt Yamamoto.

Das Team entwickelte Katalysatoren unterschiedlicher Größe, abhängig vom verwendeten Edelmetall und der Anzahl der Atome der einzelnen katalytischen Partikel. Sie verglichen ihre Leistung, um das beste Edelmetall für die Herstellung von SNCs zu finden, und untersuchten dann den Mechanismus hinter ihrer hohen katalytischen Aktivität. Kleinere SNCs erwiesen sich als besser, während weniger oxophile Metalle (wie Platin) besser waren. Das Team postulierte, dass die Oberfläche von Platin-SNCs nicht leicht oxidiert, was sie wiederverwendbar macht. Pt19 SNC zeigte eine bis zu 50-fach höhere katalytische Leistung als die üblichen Au-Pd-Nanokatalysatoren. Das Team wird weiterhin daran arbeiten, Licht in diese katalytischen Phänomene zu bringen.

„Die Entwicklung eines detaillierteren Mechanismus mit theoretischen Überlegungen ist derzeit im Gange“, sagt Tanabe. Die Anwendungen solcher Katalysatoren könnten erheblich dazu beitragen, die Umweltverschmutzung zu reduzieren und unsere effektive Nutzung der Metallressourcen der Erde zu verbessern.

Mehr Informationen:
Kimihisa Yamamoto et al, Subnanokatalyse für die aerobe Oxidation: Toluoloxidation mit Sauerstoff unter Verwendung von Subnanometallpartikeln, Angewandte Chemie International Edition (2018). DOI: 10.1002/anie.20180953030

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tekk.tv

Lange Zeit war Paul Florian in der TV-Branche tätig. Schon immer gab es eine Schublade voller Handys (und später Smartphones) in seiner Wohnung. Als Online-Redakteur hat der Nerd in ihm diese Schublade nun für Tekk geöffnet.

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