Понимание работы катализаторов на уровне атомной структуры отдельной частицы

Ученые из Центра нанонауки в университете Ювяскюля, Финляндия, и в университете Сямынь, Китай, определили, как частицы меди в нанометровом масштабе действуют на изменение углерод-кислородной связи, когда молекулы кетона превращаются в молекулы спирта.

Атомная структура медного катализатора, используемого в реакции гидрирования углерод-кислородной связи. Формальдегид H2CO (слева), используемый в качестве моделирующей молекулы при моделировании, берет два атома водорода из меди; они переходят в углерод-кислородную связь, так что молекула превращается в простой спирт (метанол CH3OH справа). После реакции молекула водорода (синяя слева) распадается на два атома водорода внутри меди. (Фото предоставлено Сами Малолой, Университет Ювяскюля)

Изменение углерод-кислородных и углерод-углеродных связей, присутствующих в органических молекулах, является важной промежуточной фазой в каталитических реакциях, где исходный материал превращается в полезные конечные продукты.

Получение понимания работы катализаторов на уровне атомной структуры отдельной частицы позволяет развивать катализаторы в предпочтительных направлениях, например, делая их эффективными и селективными для конкретного желаемого конечного продукта. Исследование было опубликовано во всемирно известной серии публикаций по нанонауке ACS Nano . В Финляндии исследования возглавлял профессор Академии Ханну Хаккинен.

Каталитические частицы меди, использованные в исследованиях, были получены и структурно охарактеризованы в университете Сямынь, и их работа по модификации сильной углерод-кислородной связи в реакции гидрирования была исследована учеными из Центра нанонауки (NSC) в Университет Ювяскюля в компьютерном моделировании.

Точная атомная структура частиц меди была обнаружена с помощью рентгеновской дифракции и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) спектроскопии. Было обнаружено, что частицы содержат 25 атомов меди и 10 атомов водорода, а на поверхности частиц находится 18 тиолов. Хотя экспериментальная работа в Сямыне продемонстрировала его выдающуюся эффективность в каталитическом гидрировании кетонов, моделирование показало, что водороды, связанные с медным ядром частицы, служат в качестве накопителя водорода, который высвобождает два атома водорода в углерод-кислородную связь в то время реакции.

После реакции хранилище водорода пополняется, когда молекула водорода, связанная с частицей из ее окружения, делится на два атома водорода, которые снова присоединяются к медному ядру. Измерения ЯМР, проведенные в Сямыне, показали промежуточный продукт реакции, который подтвердил предсказания вычислительной модели.

Это один из первых случаев во всем мире, когда стало возможным обнаружить, как работает каталитическая частица, когда ее структура точно известна, благодаря сотрудничеству, включающему как эксперименты, так и моделирование .

Ханну Хаккинен, профессор Академии, Университет Ювяскюля

Хаккинен также руководил вычислительной частью исследования.

Традиционно дорогостоящие катализаторы на основе платины используются в реакциях гидрирования. Это исследование доказывает, что наноразмерные частицы гидрида меди также действуют как катализаторы гидрирования. Полученные результаты дают надежду на то, что в будущем станет возможным разработать эффективные и недорогие катализаторы на основе меди для превращения функционализированных органических молекул в продукты с более высокой добавленной стоимостью .

Каролина Хонкала, сотрудник Хаккинена, профессор вычислительного катализа, Университет Ювяскюля

Помимо Хаккинена и Хонкалы, в исследовании приняли участие постдокторский исследователь Ниша Маммен, докторант Сами Кааппа и старший научный сотрудник Сами Малола из Университета Ювяскюля. Исследование, проведенное командами Хаккинена и Гонкалы, было поддержано Академией Финляндии. Компьютерное моделирование в исследовании проводилось суперкомпьютерами CSC – IT Center for Science. Экспериментальная работа исследования была проведена командой под руководством профессора Наньфэн Чжэн из университета Сямынь.

Source link