Een koperkatalysator die door oxidatie slechter werkt, kan door bestraling met licht zijn oude werking terugkrijgen. Volgens een artikel in Science is dit de eerste keer dat is aangetoond dat licht gebruikt kan worden om geoxideerde metaalatomen te reduceren. Maakt dit eindelijk milieuvriendelijker productie van propeenoxide mogelijk?

Propeenoxide is een belangrijke industriële grondstof. De productie is milieubelastend en vergt een complexe ketting van reacties met ongewilde bijproducten. Er wordt dan ook al lang gezocht naar een rendabele katalysator voor de directe epoxidatie van propeen.

Metallisch koper is veelbelovend, vanwege de hoge selectiviteit voor epoxide producten van verschillende alkenen. Jammer genoeg bindt het onder de reactiecondities zelf graag aan zuurstof en vormt zo koperoxide, dat de reactie veel minder goed katalyseert.

De onderzoekers ontwikkelden een katalysator van silica stof bedekt met kopernanodeeltjes van zo’n 40 nanometer diameter, waarover zuurstof en propeen geblazen werd.

In het donker vormde zich een laagje koperoxide om de nanodeeltjes, terwijl 20 procent van de reactieproducten bestond uit propeenoxide. Maar wanneer de katalysator werd bestraald met zichtbaar licht, bleef het koper in metallische vorm en verhoogde de selectiviteit voor propeenoxide tot 50 procent.

De toegenomen selectiviteit voor propeen epoxidatie trad gelijk op met lichtgeïnduceerde reductie van koperatomen aan het oppervlak van de deeltjes. Hoe dat precies werkt, is nog niet bekend. Waarschijnlijk heeft het te maken met foto-excitatie van gelokaliseerde oppervlakte-plasmonresonantie (LSPR) van de metallische kern van de deeltjes. Licht van voldoende intensiteit (550 mW/cm²) en de juiste golflengte (> 500 nm) brengt dan electronen in een resonerende toestand. Vervolgens kan er energie-overdracht plaatsvinden naar het oxide-laagje, waarbij de Cu-O bindingen verzwakt worden.

Er wacht nog wel een uitdaging voordat propeenoxide op deze potentieel goedkope en milieuvriendelijke manier kan worden gemaakt: de ontwikkeling van een nieuwe soort reactor die licht vangt en versterkt.

Hoewel deze studie zich richtte op de nanostructuur van koper, gaat het om een universeel mechanisme. De weg ligt open voor de ontwikkeling van diverse nanomaterialen met licht-schakelbare oxidatietoestand.

bron: Science