Нанотехнологии добрались до кулинарии

Группа ученых под руководством доктора Кристофера Кили (Christopher Kiely) определила структуру золото-палладиевых наночастиц, являющихся активными компонентами новых экологически безопасных катализаторов и используемых для ускорения процессов окисления первичных спиртов до альдегидов.

Окисление первичных спиртов до альдегидов — один из фундаментальных процессов в химической, фармацевтической и парфюмерной промышленности. Окисление первичных ароматических спиртов, таких, как ванилиловый и циннамиловый, является частью процессов производства парфюмерии и вкусовых добавок. Почти 95% всей ванили в мире производится искусственным путем. Бензальдегид — тоже ключевое промежуточное звено в производстве многих чистых химикатов в агрохимической и фармацевтической промышленности.

Ранее подобные реакции окисления всегда проводились с использованием перманганатов или хроматов, но это дорогие и токсичные реагенты. Новый катализатор, состоящий из золото-палладиевых наночастиц на подложке из оксида титана, позволяет реакциям окисления проходить в «мягких» условиях, без использования растворителей.

Новые катализаторы были разработаны группой химиков, возглавляемой профессором Грэмом Хатчингсом (Graham Hutchings) из Кардиффского университета в Великобритании. «Изучение структуры золото-палладиевых наночастиц поможет понять, как новый катализатор работает на атомном уровне. Это позволит оптимизировать его работу и приведет к разработке других катализаторов на основе золота», — сказал д-р Кайли, который руководит лабораторией наноспецификаций университета Лехай.

Образцы катализатора были изучены д-ром Эндрю Эрзингом (Andrew Herzing), материаловедом из центра усовершенствованных материалов и нанотехнологий университета Лехай (CAMN), сообщает PhysOrg. Д-р Эрзинг использовал сканирующий трансмиссионный электронный микроскоп c коррекцией аберрации (STEM) VG HB 603, позволяющий собирать и анализировать рассеянные рентгеновские лучи от отдельных наночастиц.

«Наш STEM с коррекцией аберраций уникален тем, что имеет чрезвычайно малый и чувствительный электронный зонд и может с высокой эффективностью улавливать рассеянное рентгеновское излучение», — комментирует д-р Кили. Разрешение микроскопа достигает 0,5 нм, что приблизительно равно ширине двух атомов.

Проанализировать структуру наночастицы даже со столь чувствительным микроскопом непросто, поскольку палладий намного слабее, чем золото, рассеивает рентгеновское излучение. Его рассеяние оксидом титана еще более усложняет проведение анализа.

При обработке результатов использовалась разработанная д-ром Масаши Ватанабе (Masashi Watanabe) из CAMN программа многомерного статистического анализа спектров. Программа анализирует весь спектр сигналов исходящих из области, и автоматически идентифицирует специфические сигнатуры (в данном случае, рентгеновский сигнал палладия). Программа значительно улучшает соотношение «сигнал-шум». Ее использование позволило сократить время анализа данных от нескольких часов до нескольких минут.

Карты распределения атомов химических элементов в наночастицах показали, что они имеют ядро из золота и оболочку из палладия. Такой катализатор эффективнее чисто палладиевого — возможно, этому способствуют электронные оболочки атома золота.

«Изучение связи между производительностью катализатора и его структурой и составом дает важную информацию для понимания механизма каталитических реакций», — считает д-р Кайли.