UvA-scheikundigen gebruiken bottom-up benadering voor synthese nanokatalysator.

Edelmetalen staan bekend als goede katalysatoren. Vooral palladium, platina en rhodium zijn vaak de beste katalysatoren om C–C verbindingen te maken, zowel bij homogene als bij heterogene katalyse. Het voordeel van deze elementen is dat zij relatief gemakkelijk tussen twee oxidatietoestanden kunnen schakelen, waarbij zij in beide toestanden relatief stabiel zijn. Denk bijvoorbeeld aan PdII en Pd0. Er zijn echter ook problemen. Het grootste nadeel is dat edelmetalen duur zijn. Een gram rhodium kost ongeveer 80 euro (bulkprijs). Tegenover de goede katalytische eigenschappen staat het feit dat bij deze metalen vaak ingewikkelde liganden moeten worden gebruikt.

Een mogelijkheid om een van de nadelen te voorkomen is ligandvrije edelmetalen nanodeeltjes gebruiken. Deze hebben een groot oppervlak en kunnen
verschillende reacties katalyseren. Verder hebben nanodeeltjes ook het voordeel dat zij, dankzij hun afmetingen, veel ‘vreemde’ eigenschappen vertonen. Ze zijn te groot om ‘homogene katalysatoren’ te zijn en te klein om de eigenschappen van een bulkmetaal te hebben. Wetenschappelijk gezien is dat een leuke bonus, want er komen mogelijk onverwachte resultaten uit.

Core/shell-clusters

De hoge prijs blijft echter, waardoor het belangrijk is dat er zo veel mogelijk van het edelmetaal voor katalyse beschikbaar is. Ook nanodeeltjes hebben een ‘core’ (=kern) en de atomen die daarin zitten doen niet mee. Gadi Rothenberg en Frantisvek Hartl van het Van ‘t Hoff Institute for Molecular Sciences (HIMS) bij de UvA vonden een bijzondere oplossing: nanodeeltjes waar Pd-atomen alleen aan de buitenkant zitten. Door elektrochemie en ‘natte’ chemie te combineren, maakte promovendus Laura Durán Pachón bimetallische nanodeeltjes met een nikkelen kern en een palladium laagje aan de buitenkant.

Deze core/shell-clusters zijn gevormd in een speciale elektrochemische cel die door glasblazer Bert van Groen en elektronicus Paul Collignon is gemaakt. Nikkel, dat direct boven palladium in het periodieke systeem zit, vormt graag een legering met palladium. De onderzoekers hebben de activiteiten vergeleken van verschillende soorten Ni/Pd-nanodeeltjes voor de toepassing als Hiyama cross-coupling katalysator. Er is gebleken dat met de­ zelfde hoeveelheid pa­ lladium de core/shell Ni/Pd-deeltjes veel actiever zijn dan puur Pd en/of een Ni/Pd-legering. De resultaten, die ondertussen in Phys. Chem. Chem. Phys. gepubliceerd zijn, zijn door de Royal Society of Chemistry als een ‘hot paper’ aangemerkt.

Bottom-up synthese

De aandacht voor de genoemde aanpak komt niet alleen vanwege katalytische toepassingen. De hype rond nanotechnologie kent veel beloften: nanomagneten zullen supersnelle computers sturen, nanodraadjes maken nano-elektronica mogelijk en nanorobotjes gaan de arts helpen. Toch is het niet zo dat alle nano-objecten op een goedkope en eenvoudige manier gemaakt kunnen worden. Er is sprake van twee benaderingen: ‘top-down’ en ‘bottom-up’. De eerste methode werkt op een schaal tot ongeveer driehonderd nanometer. Een kleinere schaal is ook nog mogelijk, maar dan met opstellingen als atomic force microscopie die niet geschikt zijn voor industriële productie. De combinatie van bottom-up synthese en zelfassemblage kan tot gestructureerde materialen tot 20 nm leiden. Daarin ligt de kracht van systemen zoals die hierboven beschreven zijn. |

PCCP ‘hot paper’ feature www.rsc.org/Publishing/Journals/CP/News/Rothenberg.asp

zie ook: www.science.uva.nl/~gadi