可在液體中發揮高機能觸媒作用之鈣鈦礦氧化物,將適用於化成品製造

 

刊登日期:2023/6/6
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東京工業大學發表成功地合成出具有高純度與大表面積之鈣鈦礦氧化物奈米粒子,將可望有助於各種有用之有機化合物的高效率合成。

鈣鈦礦氧化物廣泛應用做為將有害氣體成分無害化的觸媒用途。另一方面,目前鈣鈦礦氧化物尚未能應用於在液體中的高附加價值化合物合成反應,其要因之一在於表面積較小之故。雖然透過使用多階段合成方法取代現有的固相法可以合成具有大表面積的材料,但除了程序複雜之外,材料的純度較低亦為其待解決的課題,因此對於可簡便合成具有大表面積之鈣鈦礦氧化物的方法有其需求。

東京工業大學利用自行開發的二羧酸(Dicarboxylic Acid)擴展了溶膠-凝膠法(Sol-Gel Method),透過將原料在水中反應取得前驅物,並在空氣中進行處理,進而合成出高純度的鈣鈦礦氧化物奈米粒子。

此外,研究團隊藉由在處理前驅物時將製程氣體從氮氣改為空氣(兩階段處理),成功地將其微粒子化。與一階段處理的材料相比,此次製作出的SrTiO3奈米粒子表面積增加約1.5倍左右,且比外購產品大10倍以上。另一方面,研究團隊亦已確認新開發的合成方法適用於包括鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)等各種鈣鈦礦的合成。

研究團隊更進一步利用新觸媒合成了可做為高價化合物之起始原料的氰醇(Cyanohydrin)。一般情況下,該過程會受到材料表面吸附的水分與二氧化碳的影響,因此在使用前須對觸媒予以熱處理。而此次合成的SrTiO3奈米粒子即使未經過熱處理依然可以進行反應。此外,經過兩階段處理後的SrTiO3奈米粒子易於回收或再利用,且一次可合成2g以上的氰醇。

研究團隊在經過兩階段處理的SrTiO3奈米粒子分別添加2種添加劑,使其發生反應,結果顯示2種情況下的觸媒性能均有所下降。由此可知添加劑在材料表面的活性位點(酸與鹼位點)產生作用,進而妨礙了反應。從研究結果可知,經過兩階段處理之SrTiO3奈米粒子的大表面上存在了許多兩種類型的活性位點,且兩者的協同作用實現了高觸媒性能。

新技術可望應用於液體中的有機合成反應。由於可讓高價有機化合物的合成變得容易,將能有助於促進機能性材料或醫藥品合成的低價格化,並降低環境負荷。此外,由於SrTiO3奈米粒子在材料表面擁有兩種類型的活性位點,將可應用於利用協同作用的高難度反應。

另一方面,由於鈣鈦礦氧化物具有可以很容易地結合各種不同金屬的特徵,透過將此一性質與此次合成奈米粒子的新方法結合,將可控制材料表面的性質,進一步提高性能或將其應用於其他反應。此外,新技術可應用於鈣鈦礦氧化物以外的各種複合氧化物的合成,進而實現高附加價值之有機化合物的合成。


資料來源: https://www.titech.ac.jp/news/2023/066621
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