En grønnere vej til produktion af et livsvigtigt kemikalie

(PhysOrg.com) -- Nanopartikler af guld og palladium (Au-Pd) kunne føre til en mere effektiv og miljøvenlig måde at producere benzylbenzoat på, en kemisk forbindelse, der anvendes meget i maden, farmaceutiske og kemiske industrier, hvis anvendelser omfatter et fikseringsmiddel til duftstoffer, et fødevaretilsætningsstof og et opløsningsmiddel til kemiske reaktioner.

Den mest almindelige metode til fremstilling af benzylbenzoat er at reagere benzoesyre med benzylalkohol. Det kan også dannes ud fra benzaldehyd. Alle tre udgangsmaterialer er afledt af toluen, en bestanddel af råolie. Fremstillingen af ​​benzylalkohol og benzaldehyd kræver brug af halogener og sure opløsningsmidler, hvorimod benzoesyre produceres via en mere miljøvenlig væskefase cobalt-katalyseret reaktion.

Et forskerhold ledet af Graham Hutchings, professor i kemi ved Cardiff University i Wales i Storbritannien, og Christopher Kiely, professor i materialevidenskab og teknik ved Lehigh, har fundet en måde at fremstille benzylbenzoat direkte fra toluen i en opløsningsmiddelfri, enkelt-trins proces ved hjælp af Au-Pd nanopartikler til at katalysere reaktionen.

"Ved at optimere Au-Pd-forholdet i nanopartiklerne, såvel som reaktionsbetingelserne, vi var i stand til at opnå konverteringsrater på over 95 procent uden omdannelse til kuldioxid, ” siger Hutchings.

Lyser på partikelstørrelse og katalytisk aktivitet

Forskerne rapporterede deres fund 14. januar in Videnskab magasin i en artikel med titlen "Solvent-Free Oxidation of Primary Carbon-Hydrogen Bonds in Toluene Using Au-Pd Alloy Nanoparticles." Artiklen var medforfattet af Hutchings og Kiely og 10 andre forskere, herunder Ramchandra Tiruvalam, en Lehigh Ph.D. kandidat, der arbejder med Kiely.

I stedet for at fremstille katalysatorerne ved hjælp af konventionelle understøtningsimprægneringsteknikker, forskerne valgte en forberedelsesrute, der involverede sol-immobilisering af Au-Pd-kolloider ved hjælp af amorft carbon- og titaniumoxidunderlag. Denne teknik giver meget større kontrol over partikelstørrelse og sammensætning end konventionelle metoder.

Transmissionselektronmikroskopi (TEM) undersøgelser udført af Tiruvalam viste, at de gennemsnitlige partikelstørrelser var meget ens, 3,3 nanometer på kulstof og 3,5nm på titaniumoxid.

"På trods af at have en meget ens partikelstørrelsesfordeling, Au-Pd/carbon-prøverne viste sig at have omtrent det dobbelte af den katalytiske aktivitet af Au-Pd/titaniumoxidprøverne, " siger Kiely, der leder Nanocharacterization Laboratory i Lehigh's Center for Advanced Materials and Nanotechnology.

"Dette tyder på, at simple metaloverfladeovervejelser ikke dominerer den katalytiske aktivitet."

Opnå stabilitet og genanvendelighed

Ved at bruge Lehighs aberrationskorrigerede TEM, Tiruvalam var i stand til at vise, at partiklerne faktisk var Au-Pd legeringspartikler, at dem på titaniumoxidet var stærkt facetterede og havde en tendens til at danne en flad grænseflade med støtten, og at dem på kulstoffet var meget mere afrundede.

"Forskellen i katalytisk aktivitet kan være relateret til forskelle i antallet af tilgængelige kant- og hjørnesteder med lavt koordinationstal, ” forklarer Kiely. "De mere afrundede 'grovere' partikler på kulstofstøtten har betydeligt flere af disse steder end de fladere partikler på titaniumoxidunderstøtningen."

I et sidste sæt eksperimenter, forskerne var i stand til at påvise, at Au-Pd/carbon-katalysatorerne ikke viste noget tab af aktivitet efter brug, og at der var ringe ændring i partikelform og størrelse efter længere reaktionsperioder.

"Det er klart, at disse meget aktive katalysatorer er både stabile og genanvendelige, siger Kiely.