Mystisk organisk skum øger effektiviteten af ​​kemiske reaktioner, kan reducere kemisk affald

Kemiske producenter bruger ofte giftige opløsningsmidler som alkoholer og benzen til fremstilling af produkter som lægemidler og plast. Forskere undersøger et tidligere overset og misforstået fænomen i de kemiske reaktioner, der bruges til at fremstille disse produkter. Denne opdagelse bringer en ny grundlæggende forståelse af katalytisk kemi og en springbræt til praktiske anvendelser, der en dag kan gøre kemisk fremstilling mindre spild og mere miljømæssigt forsvarlig.

Undersøgelsen ledet af University of Illinois Urbana-Champaign-forsker David Flaherty, University of Minnesota, Twin Cities -forskeren Matthew Neurock og Virginia Tech -forskeren Ayman Karim er offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Kombination af opløsningsmidler og metal nanopartikler fremskynder mange kemiske reaktioner og hjælper med at maksimere udbytte og fortjenstmargener for den kemiske industri. Imidlertid, mange opløsningsmidler er giftige og vanskelige at bortskaffe, sagde forskerne. Vand virker, også, men det er ikke nær så effektivt eller pålideligt som organiske opløsningsmidler. Årsagen til forskellen blev antaget at være den begrænsede opløselighed af nogle reaktanter i vand. Imidlertid, flere uregelmæssigheder i eksperimentelle data har fået teamet til at indse, at årsagerne til disse forskelle ikke var fuldt ud forstået.

For bedre at forstå processen, teamet kørte eksperimenter for at analysere reduktionen af ​​ilt til hydrogenperoxid - et sæt ved hjælp af vand, en anden med methanol, og andre med vand- og methanolblandinger. Alle eksperimenter brugte palladium -nanopartikler.

"I forsøg med methanol, vi observerede spontan nedbrydning af opløsningsmidlet, der efterlader en organisk rest, eller afskum, på overfladen af ​​nanopartikler, sagde Flaherty, professor i kemisk og biomolekylær teknik i Illinois. "I nogle tilfælde, den snavset rest hænger fast i nanopartiklerne og øger reaktionshastighederne og mængden af ​​hydrogenperoxid, der dannes i stedet for at hæmme reaktionen. Denne observation fik os til at spekulere på, hvordan det kunne hjælpe. "

Teamet fandt ud af, at resterne, eller overflade redox mediator, holder iltholdige arter, herunder en nøglekomponent hydroxymethyl. Det ophobes på palladium -nanopartiklernes overflade og åbner nye kemiske reaktionsveje, undersøgelsesrapporterne.

"Når den var dannet, resten bliver en del af den katalytiske cyklus og er sandsynligvis ansvarlig for nogle af de forskellige effektiviteter blandt opløsningsmidler, der er rapporteret i løbet af de sidste 40 års arbejde med denne reaktion, "Flaherty sagde." Vores arbejde giver stærkt bevis på, at disse overfladeredox -mediatorer dannes i alkoholopløsningsmidler, og at de kan forklare mange tidligere mysterier for denne kemi. "

Ved at arbejde med flere typer af eksperimenter og beregningssimuleringer, teamet erfarede, at disse redox -mediatorer effektivt overfører både protoner og elektroner til reaktanter, der henviser til, at reaktioner i rent vand overfører protoner let, men ikke elektroner. Disse mediatorer ændrer også nanopartiklernes overflade på en måde, der sænker energibarrieren, der skal overvindes for proton- og elektronoverførsel, undersøgelsesrapporterne.

"Vi viser, at alkoholopløsningsmidlerne såvel som organiske tilsætningsstoffer kan reagere for at danne metalbundne overflademediatorer, der virker meget på samme måde, som de enzymatiske kofaktorer i vores kroppe gør ved at katalysere oxidations- og reduktionsreaktioner, "Sagde Neurock.

Derudover dette arbejde kan have konsekvenser for at reducere mængderne af anvendt opløsningsmiddel og affald genereret i den kemiske industri.

"Vores forskning tyder på, at i nogle situationer kemiske producenter kunne danne overflade -redox -mediatorer ved at tilføje små mængder af et tilsætningsstof til rent vand i stedet for at pumpe tusindvis af liter organiske opløsningsmidler gennem disse reaktorer, "Sagde Flaherty.