(PhysOrg.com) -- Les nanoparticules d'or et de palladium (Au-Pd) pourraient conduire à un moyen plus efficace et respectueux de l'environnement de produire du benzoate de benzyle, un composé chimique largement utilisé dans l'alimentation, industries pharmaceutiques et chimiques dont les applications incluent un fixateur pour parfums, un additif alimentaire et un solvant pour les réactions chimiques.

La méthode la plus courante de production de benzoate de benzyle consiste à faire réagir l'acide benzoïque avec l'alcool benzylique. Il peut également être généré à partir du benzaldéhyde. Les trois matières premières sont dérivées du toluène, un composant du pétrole brut. La fabrication d'alcool benzylique et de benzaldéhyde nécessite l'utilisation d'halogènes et de solvants acides, tandis que l'acide benzoïque est produit via une réaction catalysée par le cobalt en phase liquide plus respectueuse de l'environnement.

Une équipe de recherche dirigée par Graham Hutchings, professeur de chimie à l'Université de Cardiff au Pays de Galles au Royaume-Uni, et Christophe Kiely, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Lehigh, a trouvé un moyen de produire du benzoate de benzyle directement à partir du toluène sans solvant, processus en une seule étape utilisant des nanoparticules Au-Pd pour catalyser la réaction.

« En optimisant le rapport Au-Pd dans la nanoparticule, ainsi que les conditions de réaction, nous avons pu atteindre des taux de conversion de plus de 95 % sans conversion en dioxyde de carbone, " dit Hutchings.

Mettre en lumière la taille des particules et l'activité catalytique

Les chercheurs ont rapporté leur découverte le 14 janvier dans Science magazine dans un article intitulé "Solvent-Free Oxidation of Primary Carbon-Hydrogen Bonds in Toluene Using Au-Pd Alloy Nanoparticles". dont Ramchandra Tiruvalam, un doctorat Lehigh. candidat travaillant avec Kiely.

Plutôt que de fabriquer les catalyseurs par les techniques classiques d'imprégnation des supports, les chercheurs ont choisi une voie de préparation impliquant l'immobilisation au sol de colloïdes Au-Pd à l'aide de supports en carbone amorphe et en oxyde de titane. Cette technique offre un contrôle beaucoup plus important sur la taille et la composition des particules que les méthodes conventionnelles.

Les études de microscopie électronique à transmission (MET) menées par Tiruvalam ont révélé que les tailles moyennes des particules étaient très similaires, 3,3 nanomètres sur carbone et 3,5 nm sur oxyde de titane.

« Malgré une distribution granulométrique très similaire, les échantillons Au-Pd/carbone se sont avérés avoir environ le double de l'activité catalytique des échantillons Au-Pd/oxyde de titane, " dit Kiely, qui dirige le laboratoire de nanocaractérisation du Centre de Lehigh pour les matériaux avancés et la nanotechnologie.

"Cela suggère que de simples considérations de surface métallique ne dominent pas l'activité catalytique."

Atteindre la stabilité et la réutilisation

En utilisant le MET corrigé par les aberrations de Lehigh, Tiruvalam a pu montrer que les particules étaient bien des particules d'alliage Au-Pd, que celles de l'oxyde de titane étaient fortement facettées et avaient tendance à former une interface plate avec le support, et que ceux sur le carbone étaient beaucoup plus arrondis.

« La différence d'activité catalytique peut être liée à des différences dans le nombre de sites de bord et de coin à faible nombre de coordination disponibles, », explique Kiely. "Les particules plus arrondies" plus rugueuses "sur le support de carbone ont beaucoup plus de ces sites que les particules plus plates sur le support d'oxyde de titane."

Dans une dernière série d'expériences, les chercheurs ont pu démontrer que les catalyseurs Au-Pd/carbone ne présentaient aucune perte d'activité après utilisation et qu'il y avait peu de changement dans la forme et la taille des particules après des périodes de réaction prolongées.

« Il est clair que ces catalyseurs très actifs sont à la fois stables et réutilisables, ", dit Kiely.