نانوکاتالیست‌های ساخته شده از نانوذرات طلا که روی اکسیدهای فلزی پراکنده شده‌اند، برای اکسیداسیون انتخابی و صنعتی مواد مختلف از جمله الکل‌ها به مواد شیمیایی ارزشمند، بسیار مورد توجه هستند. آن‌ها فعالیت کاتالیستی بالایی را به ویژه در محلول‌های آبی نشان می‌دهند. تیمی از محققان از دانشگاه روهر بوخوم (RUB) توانسته‌اند توضیح دهند که چرا مولکول‌های آب نقش فعالی در تسهیل تفکیک اکسیژن مورد نیاز برای واکنش اکسیداسیون دارند.
مولکول‌های آب در نقش طلا برای واکنش‌های نانوکاتالیستی!
جویندگان طلا
بیشتر فرآیندهای اکسیداسیون صنعتی شامل استفاده از عواملی مانند کلر یا پراکسیدهای آلی است که محصولات جانبی سمی یا بی استفاده تولید می‌کنند. در عوض، استفاده از اکسیژن مولکولی، O2، و تقسیم آن برای به دست آوردن اتم‌های اکسیژن مورد نیاز برای تولید محصولات خاص، راه‌حل سبزتر و جذاب‌تر خواهد بود.
یک سامانه کاتالیستی امیدوارکننده برای این رویکرد، سیستم طلا/ اکسید فلز (Au/TiO2) است که در آن اکسید فلز تیتانیا (TiO2) به عنوان پایه کاتالیست نانوذرات طلا است. این نانوکاتالیست‌ها می‌توانند اکسیداسیون انتخابی هیدروژن مولکولی، مونوکسید کربن و به ویژه الکل‌ها را کاتالیز کنند. یک مرحله مهم در این دسته از واکنش‌ها، تفکیک O2 است که شامل یک سد انرژی با انرژی بالا است. یک عامل مهم در این فرآیندها نقش آب است زیرا واکنش‌ها در محلول‌های آبی انجام می‌شود. نقش آب در این واکنش‌ها کمتر بررسی شده است.
پژوهش‌های پیشین نشان می‌دهد که مولکول‌های آب به طور فعال در واکنش اکسایشی شرکت می‌کنند. اکنون پژوهش‌های محققان دانشگاه روهر بوخوم نشان می‌دهد که حل شدن مولکلول اکسیژن در آب، فعال‌سازی اکسیژن مولکولی (O2) را در نانوکاتالیست طلا/ اکسید فلز (Au/TiO2) تسهیل می‌کند. در واقع، مولکول‌های آب به کاهش سد انرژی برای تفکیک O2 کمک می‌کنند. محققان نشان دادند که اکسیژن محلول در مقایسه با اکسیژن در فاز گازی، سد انرژی را ۲۵ درصد کاهش می‌دهد.
هوای مولکول‌های آب را داشته باشیم
دانشمندان شرایط آزمایشی را با دما و فشار بالا شبیه‌سازی کردند تا پروفایل انرژی آزاد O2 را در فاز مایع و گاز به دست آورند. در نهایت، آن‌ها توانستند اثر انحلال اکسیژن در آب را بررسی کنند. این بررسی‌ها نشان داده است که مولکول‌های آب باعث افزایش چگالی الکترون به سمت اکسیژن که در محیط نانوکاتالیست لنگر انداخته است، می‌شود که به نوبه خود منجر به هزینه‌های انرژی کمتری برای جداسازی اتم‌های اکسیژن از یکدیگر می‌شود. محققان می‌گویند همه چیز به ویژگی‌های منحصر به فرد آب مربوط می‌شود.
یکی از پژوهشگران این تیم تحقیقاتی می‌گوید: «ما دریافتیم که قطبی بودن آب و توانایی آن برای تشکیل پیوندهای هیدروژنی در فعال‌سازی اکسیژن، ایفای نقش می‌کند.»
نتایج این پژوهش به درک و بهبود اکسیداسیون مستقیم در آب و الکل‌ها کمک می‌کند.
