Uutta tietoa katalyyttisten kultananopartikkelien rakenteesta kantaja-aineen pinnalla

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen, Ghentin yliopiston ja Utrechtin yliopiston tutkijat löysivät uuden merkittävän ominaisuuden katalyyttisten kultananopartikkelien rakenteesta mallikatalyyttejä valmistettaessa. Tutkimuksessa havaittiin, että kun partikkeleja kiinnitetään kantaja-aineen päälle, partikkelien atomirakenne joko hajoaa täysin tai partikkeleja suojaavat orgaaniset molekyylit ”kuoriutuvat” pois partikkelien päältä. Kantaja-aineen ja partikkelin välinen varauksen siirto määrää sen, kumpi prosessi tapahtuu. Tämä tieto on tärkeää, kun suunnitellaan orgaanisilla molekyyleillä suojattujen kulta- ja muiden metallipartikkelien käyttöä katalyytteinä. Tutkimus julkaistiin Chemistry-A European Journal Chemistry–tiedejulkaisussa 2020.
Tutkimus kultananopartikkelien rakenteesta pääsi myös Chemistry-A European Journal Chemistry -tiedejulkaisun kanteen kesäkuussa. Kuvassa: kantaja-aineen pinnalle kiinnitetyt, fosfiinimolekyyleillä suojatut kultapartikkelit voivat joko kokonaan hajota kulta-fosfiini-komplekseiksi (vasen) tai fosfiinikerros voi kuoriutua pois (oikea) riippuen kantaja-aineen ja partikkelin välisestä varauksen siirrosta.
Julkaistu
16.6.2020

Useat jokapäiväisessä elämässä tarvittavat tuotteet valmistetaan katalyyttisten kemiallisten reaktioiden avulla. Katalyytit nopeuttavat reaktioita ja vähentävät reaktioiden tarvitsemaa energiaa.

Metallinanopartikkeleja on jo pitkään käytetty katalyytteinä monissa teollisesti tärkeissä reaktioissa. Viime vuosina mielenkiinto on kohdistunut nanometrikokoisiin ligandimolekyyleillä suojattuihin metallinanopartikkeleihin, joita voidaan valmistaa tarkasti halutun kokoisena ja joiden atomirakennekin yleensä tunnetaan. Tällaisten tarkasti määriteltyjen partikkelien käyttäminen voi parantaa katalyyttien atomitehokkuutta eli alentaa kalliin metallin määrää katalyytissä.

Yhteistutkimuksessa tutkijat valmistivat pieniä, vain noin kymmenen kulta-atomin kokoisia, fosfiinimolekyyleillä suojattuja partikkeleja, ja kiinnittivät niitä usean erilaisen kantaja-aineen päälle. Näytteitä tutkittiin röntgenspektroskopian ja kuvantamisen keinoin Utrechtin yliopistossa ja niille tehtiin teoreettisia malleja Jyväskylässä.

Tuloksina havaittiin, että kultapartikkelit hajoavat kulta-fosfiini-komplekseiksi piidioksidin pinnalla, mutta partikkeleja suojaava fosfiinikerros ”kuoriutuu” pois ceriumoksidin pinnalla, jolloin suojaamaton, metallinen kultapartikkeli voi olla aktiivinen katalyytti esimerkiksi hiilidioksidin hapetusreaktiossa. Teoreettiset laskut selittivät kokeellisia tuloksia erilaisten metallioksidipintojen ja kultapartikkelin välisten varausten siirtomallin avulla.

Linkki Chemistry-A European Journal -tiedejulkaisuun 2020:

Akatemiaprofessori Hannu Häkkisen tutkimusryhmän sivuille: /science/en/nanoscience-center/research/nanoclusters

Professori Karoliina Honkalan tutkimusryhmän sivuille: /science/en/chemistry/research/computational-chemistry-and-spectroscopy/catalysis

Grafiikka kannen kuvaa varten: Nisha Mammen/Jyväskylän yliopisto

äپٴᲹ:
Akatemiaprofessori Hannu Häkkinen, tel. +358 400 247 973, hannu.j.hakkinen@jyu.fi

Viestinnän asiantuntija Tanja Heikkinen, tanja.s.heikkinen@jyu.fi, +358 50 581 8351
Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
/science/fi
jyscience jyuscience jyscience