Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont montré que les particules d'oxyde de cuivre à l'échelle sub-nano sont des catalyseurs plus puissants que celles à l'échelle nano. Ces sous-nanoparticules peuvent également catalyser les réactions d'oxydation des hydrocarbures aromatiques bien plus efficacement que les catalyseurs actuellement utilisés dans l'industrie. Cette étude ouvre la voie à une utilisation meilleure et plus efficace des hydrocarbures aromatiques, qui sont des matériaux importants pour la recherche et l'industrie.

L'oxydation sélective des hydrocarbures est importante dans de nombreuses réactions chimiques et procédés industriels, et en tant que tel, les scientifiques sont à la recherche de moyens plus efficaces pour réaliser cette oxydation. Oxyde de cuivre (CunO X ) les nanoparticules se sont révélées utiles comme catalyseur pour le traitement des hydrocarbures aromatiques, mais la quête de composés encore plus efficaces s'est poursuivie.

Dans un passé récent, les scientifiques ont appliqué des catalyseurs à base de métaux nobles composés de particules au niveau sub-nano. A ce niveau, les particules mesurent moins d'un nanomètre et lorsqu'elles sont placées sur des substrats appropriés, ils peuvent offrir des surfaces encore plus élevées que les catalyseurs à nanoparticules pour favoriser la réactivité (Fig. 1).

Dans cette tendance, une équipe de scientifiques comprenant le professeur Kimihisa Yamamoto et le docteur Makoto Tanabe du Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) ont étudié les réactions chimiques catalysées par CunO X sous-nanoparticules (SNP) pour évaluer leurs performances dans l'oxydation des hydrocarbures aromatiques. CunO X SNP de trois tailles spécifiques (avec 12, 28, et 60 atomes de cuivre) ont été produits dans des structures arborescentes appelées dendrimères (Fig. 2). Supporté sur un substrat de zircone, ils ont été appliqués à l'oxydation aérobie d'un composé organique à cycle benzénique aromatique.

La spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS) et la spectroscopie infrarouge (IR) ont été utilisées pour analyser les structures des SNP synthétisés, et les résultats ont été soutenus par des calculs de la théorie de la fonctionnalité de densité (DFT).

L'analyse XPS et les calculs DFT ont révélé une ionicité croissante des liaisons cuivre-oxygène (Cu-O) à mesure que la taille du SNP diminuait. Cette polarisation de liaison était supérieure à celle observée dans les liaisons Cu-O en vrac, et la plus grande polarisation était la cause de l'activité catalytique accrue du CunO X SNP.

Tanabe et les membres de l'équipe ont observé que le CunO X Les SNP ont accéléré l'oxydation du CH 3 des groupes attachés au cycle aromatique, conduisant ainsi à la formation de produits. Quand le CunO X Le catalyseur SNP n'a pas été utilisé, aucun produit n'a été formé. Le catalyseur avec le plus petit CunO X SNP, Cu 12 Bœuf, avait les meilleures performances catalytiques et s'est avéré être le plus durable.

Comme l'explique Tanabe, "l'amélioration de l'ionicité des liaisons Cu-O avec diminution de la taille du CunO X Les SNP permettent leur meilleure activité catalytique pour les oxydations d'hydrocarbures aromatiques."

Leurs recherches soutiennent l'affirmation selon laquelle il existe un grand potentiel d'utilisation des SNP d'oxyde de cuivre comme catalyseurs dans des applications industrielles. "Les performances catalytiques et le mécanisme de ces CunO synthétisés à taille contrôlée X Les SNP seraient meilleurs que ceux des catalyseurs de métaux nobles, qui sont les plus couramment utilisés dans l'industrie à l'heure actuelle, " Yamamoto dit, faisant allusion à ce que CunO X Les SNP peuvent réaliser à l'avenir.