Rekord w katalizie dzięki klastrom atomów złota

Hiszpańscy chemicy pokazali, że małe klastry atomów złota są niezwykłymi katalizatorami nieorganicznymi o wysokiej wydajności. Klastry, które użyto w uwodornieniu alkinów, wykazują częstotliwości cykli katalitycznych na poziomie 100 tys./h w temperaturze pokojowej.

Od 25 lat złoto jest w kręgach zainteresowań osób zajmujących się katalizą. Wtedy odkryto, że cząstki złota o nanometrowych wymiarach mogą katalizować utlenianie tlenku węgla (I) lepiej niż inne katalizatory. Od tego czasu zbadano, że złoto katalizuje wiele ważnych reakcji, takich jak tworzenie związków „azo" stosowanych jako barwniki w przemyśle skórzanym i tekstylnym lub jako związki pośrednie w produkcji poliuretanów. Nadal jednak rzadko stosuje się złoto jako katalizator w przemyśle. Wynika to z dużego zużycia – potrzeba aż 5 % molowo złota na kilkaset miligramów substratu.

Złoto może zyskać popularność w przemyśle dzięki nowym badaniom przeprowadzonym na Uniwersytecie Walencji. Grupa naukowców pod przewodnictwem Avelino Cromy odkryła, że złoto może mieć wysoką wydajność jako katalizator, gdy jest w formie roztworów cząstek w formie nanoklastrów. Badania przeprowadzono na reakcji uwodornienia alkinów przy udziale estrów. W tej reakcji woda przyłącza się do alkinów tworząc ketony. Reakcja ta jest stosowana w przemyśle do wytwarzania aldehydu octowego, a w dalszej kolejności kwasu octowego i innych substancji z acetylenu przy użyci katalizatorów rtęciowych.

Klastry złota zostały wytworzone przez dodanie mieszaniny reakcyjnej do roztworu chlorku złota (AuCl) lub kwasu chlorozłotowego (HAuCl4). Za pomocą spektroskopii UV i spektrometrii mas MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - jonizacja laserem wspomagana matrycą) z pomiarem z analizatoerm czasu przelotu jonów – TOF zauważono, że reakcja zaczyna biec, gdy uformują się klastry złożone z 3 do 5 atomów złota (rozmiar klastrów - ok 0,4 nm). Wtedy reakcja przebiega bardzo szybko, osiągając przemianę 100 tys. cząsteczek na klaster złota w ciągu godziny – to jest 5 razy więcej niż dotychczas.

Naukowcy zauważyli, że im większe rozcieńczenie roztworu, tym lepiej formują się klastry. Co ważne, formują się one nawet przy bardzo niedużych ilościach złota, nadal katalizując reakcję. Z czasem klastry ulegają przekonfigurowaniu, a każdy z typów reakcji wymaga innego typu klastra. Kontrola nad tym zjawiskiem pozwoliłaby na otrzymanie jeszcze bardziej wydajnych katalizatorów.

(pj)