Tutkijat selvittivät nanokatalyytin toiminnan atomitasolla

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen ja kiinalaisen Xiamenin yliopiston tutkijat ovat selvittäneet, kuinka atomirakenteeltaan tarkasti tunnetut nanometri-mittaluokan kuparipartikkelit toimivat hiili–happi-sidoksen muokkaamisessa, kun ketonimolekyylit muuttuvat alkoholimolekyyleiksi. Orgaanisissa molekyyleissä esiintyvien hiili–happi- ja hiili–hiili-sidosten muokkaus on tärkeä välivaihe katalyyttisissä reaktioissa, joissa lähtöainetta muutetaan arvokkaiksi lopputuotteiksi.
Hiili-happi -sidoksen vedytysreaktiossa käytetyn kuparikatalyytin atomirakenne. Simulaatioissa käytetty mallimolekyyli formaldehyridi H2CO (vasemmalla) sieppaa kuparista kaksi vetyä, jotka siirtyvät hiili–happi-sidokseen siten, että molekyyli muuttuu yksinkertaiseksi alkoholiksi (metanoli CH3OH, oikealla). Reaktion jälkeen ympäristössä oleva vetymolekyyli (sininen, vasemmalla) hajoaa kahdeksi vetyatomiksi kuparin sisään. Kuva: Sami Malola, Jyväskylän yliopisto
Julkaistu
23.5.2019

Katalyyttien toiminnan ymmärtäminen yksittäisen partikkelin atomirakenteen tasolla mahdollistaa niiden kehittämisen haluttuun suuntaan, esimerkiksi tehokkaaksi ja selektiiviseksi tietyn halutun lopputuotteen kannalta. Tutkimus on julkaistu kansainvälisesti arvostetussa nanotieteen alan julkaisusarjassa ACS Nano. Suomessa tutkimusta johti akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta.
Tutkimuksessa käytetyt katalyyttiset kuparipartikkelit valmistettiin Xiamenin yliopistossa ja niiden toimintaa vahvan hiili–happi-sidoksen muokkaamisessa vedytysreaktiossa tutkittiin Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijoiden tietokonesimulaatioissa.

Kupariytimeen sitoutuneet vedyt toimivat vetyvarastona

Kuparipartikkelien tarkka atomirakenne ratkaistiin röntgendiffraktion ja ydinmagneettisen (NMR) avulla. Partikkeleissa todettiin olevan 25 kupariatomia ja kymmenen vetyä sekä partikkelin pintaa suojaamassa 18 .
Simulaatiot ennustivat, että partikkelin kupariytimeen sitoutuneet vedyt toimivat ikään kuin vetyvarastona, joka luovuttaa kaksi vetyatomia hiili–happi-sidokseen yhden reaktion aikana. Reaktion jälkeen vetyvarasto täydentyy, kun ympäristöstä partikkeliin tarttunut vetymolekyyli hajoaa kahdeksi vetyatomiksi, jotka sitoutuvat jälleen kupariytimeen.
Xiamenissa tehdyt NMR-mittaukset paljastivat reaktion välituotteen, mikä vahvisti laskennallisen mallin antamat ennusteet.
”Tämä on ensimmäisiä kertoja maailmassa, kun näin tarkasti rakenteeltaan tunnetun katalyyttipartikkelin toiminta on pystytty selvittämään kokeiden ja simulaatioiden yhteistyöllä”, sanoo tutkimuksen laskennallista osaa johtanut akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta.

”Perinteisesti vedytysreaktioissa käytetään kalliita platinapohjaisia katalyyttejä. Tämä työ osoittaa, että nanomittakaavan kuparihydridipartikkelit toimivat myös vedytyskatalyytteinä. Saadut tulokset antavat toivoa, että tulevaisuudessa on mahdollista kehittää tehokkaita ja edullisia kuparipohjaisia katalyyttejä funktionalisoitujen orgaanisten molekyylien muuntamiseen korkeamman jalostusarvon tuotteiksi”, sanoo laskennallisen katalyysin professori Karoliina Honkala Jyväskylän yliopistosta.

Häkkisen ja Honkalan tutkimuksessa olivat Jyväskylän yliopistosta mukana myös tutkijatohtori Nisha Mammen, tohtorikoulutettava Sami Kaappa ja senioritutkija Sami Malola.

Häkkisen ja Honkalan ryhmien tutkimus on Suomen Akatemian tukemaa. Tutkimuksen tietokonesimuloinnit tehtiin Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) supertietokoneilla. Xiamenin yliopistosta tutkimukseen osallistui professori Nanfeng Zhengin ä.

Linkki julkaisuun:

äپٴᲹ:

Akatemiaprofessori Hannu Häkkinen, hannu.j.hakkinen@jyu.fi, puh. 0400 247 973
Tutkimusryhmän verkkosivu: /science/en/nanoscience-center/research/nanoclusters
Professori Karoliina Honkala, karoliina.honkala@jyu.fi, puh. 040 805 3686
Tutkimusryhmän verkkosivu: /science/en/chemistry/research/computational-chemistry-and-spectroscopy/catalysis