Гидрирование на отдельных атомах

Результаты исследования, проведенного в Университете Тафтса, говорят о том, что наночастицы меди, на поверхности которых расположены отдельные атомы палладия, могут играть роль эффективных катализаторов гидрирования органических соединений.

Это открытие может привести к созданию новых типов промышленных катализаторов, для изготовления которых потребуется меньшее количество редких и дорогих металлов платиновой группы, а также к разработке новой стратегии увеличения каталитической активности доступных и сравнительно неэффективных с точки зрения катализа металлов за счет изменения их электронных свойств.

Реакции гидрирования являются критически важными этапами многих промышленных процессов крупнотоннажной и тонкой органической химии. Катализаторами реакции гидрирования зачастую являются частицы, содержащие платину, палладий и другие дорогие металлы. Гидрирование является важным элементом пищевой промышленности – на процессах гидрирования основано отверждение растительных масел (гидрирование остатков непредельных жирных кислот в тригилицеридах растительного происхождения), гидрирование важно и для получения моторных топлив, а также в фармацевтической промышленности.

Отдельные атомы палладия (пики) на поверхности меди способствуют диссоциации молекул водорода (серые), отдельные атомы селективно присоединяются к тройной связи ацетилена (сине-зеленый).

В настоящее время исследователи продолжают работу над созданием каталитических систем, позволяющих уменьшить количество драгоценных металлов, однако сохраняющих при этом высокую активность. Это непростая задача, так как необходимо обнаружить катализатор, достаточно прочно связывающий реагент, тем самым активируя его, не допуская при этом длительной иммобилизации реагента на катализаторе, при этом связь между катализатором и интермедиатами каталитической реакции должна быть достаточно слабая для того, чтобы могли образоваться продукты каталитической реакции.

Исследователи из Университета Тафтса – Георгиос Кириаку (Georgios Kyriakou) и Чарльз Сайкс (E. Charles H. Sykes) обнаружили, что такого баланса для катализатора гидрирования можно достичь, создав катализатор, представляющий собой наночастицы меди с размещенными на них изолированными атомами палладия. С помощью сканирующей туннельной микроскопии и других аналитических методов исследователи обнаружили, что необычный энергетический ландшафт их системы заставляет молекулы водорода связываться с отдельными атомами палладия и диссоциировать, образуя атомы водорода, «стекающие» в области, состоящие из чистой меди, которая, как правило, весьма инертна в связывании как молекулярного, так и атомизированного водорода. Атомарный водород, слабо связывается с поверхностью меди и остается достаточно подвижным для селективного гидрирования модельных субстратов – ацетилена и стирола.

Специалист по гетерогенному катализу из Университета Висконсин Манос Маврикакис (Manos Mavrikakis) отмечает, что результаты нового исследования наглядно показывают, что минимальные количества каталитически активного металла, окруженные морем с меньшей (или отсутствующей) каталитической активностью могут существенно изменить каталитическую активность всей системы.