Accelererer kemiske reaktioner uden direkte kontakt med en katalysator

Et forskerhold fra Northwestern University har afsløret en ny tilgang til at udføre kemiske reaktioner - en der ikke kræver direkte kontakt med en katalysator.

I typiske katalytiske reaktioner, Katalysatoren - stoffet, der øger hastigheden af ​​en kemisk reaktion - og substratreaktanterne skal være til stede i det samme medium og i direkte kontakt med hinanden for at frembringe en reaktion. Forskerholdets nye system demonstrerer en kemisk reaktion produceret gennem et mellemled skabt af en separat kemisk reaktion. Resultaterne kan have anvendelser inden for miljøsanering og brændstofproduktion.

"Hvis vi forbedrer vores forståelse af forholdet mellem katalysator-mellemreaktion, kan det i høj grad udvide mulighederne for katalytiske reaktioner, " sagde Harold Kung, Walter P. Murphy professor i kemisk og biologisk ingeniørvidenskab ved McCormick School of Engineering, der ledede forskningen. "Ved at lære, at en kemisk reaktion kan forløbe uden direkte kontakt med en katalysator, vi åbner døren til at bruge katalysatorer fra jordrige grundstoffer til at udføre reaktioner, som de normalt ikke ville katalysere."

Studiet, med titlen "Noncontact Catalysis:Initiation of Selective Ethylbenzene Oxidation by Au Cluster-Facilitated Cyclooctene Epoxidation, " blev offentliggjort 31. januar i tidsskriftet Videnskabens fremskridt . Mayfair Kung, en forskningslektor i kemi og biologisk teknik, var en medkorresponderende forfatter på papiret. Linda Broadbelt, Sarah Rebecca Roland professor i kemi- og biologisk ingeniørvidenskab og assisterende dekan for forskning, også bidraget til undersøgelsen.

Forskningen bygger på tidligere arbejde, hvor holdet undersøgte den selektive oxidation af cycloocten - en type kulbrinte - ved hjælp af guld (Au) som katalysator. Undersøgelsen afslørede, at reaktionen blev katalyseret af opløste guld nanoclusters. overrasket, forskerne satte sig for at undersøge, hvor godt guldklyngerne kunne katalysere selektiv oxidation af andre kulbrinter.

Ved at bruge en platform, de udviklede kaldet Noncontact Catalysis System (NCCS), forskerne testede effektiviteten af ​​en guldkatalysator mod ethylbenzen, en organisk forbindelse, der er udbredt i produktionen af ​​mange plastik. Mens ethylbenzen ikke undergik nogen reaktion i nærværelse af guldklyngerne, holdet fandt ud af, at når guldklyngerne reagerede med cycloocten, det resulterende molekyle tilvejebragte det nødvendige mellemled til at producere ethylbenzenoxidation.

"De to reaktioner er fuldstændig uafhængige af hinanden, " sagde Kung. "Vi så, at guld nanoclusterne og cyclooctenen var ineffektive til at oxidere ethylbenzen på egen hånd. Direkte kontakt fik ikke reaktionen til at fortsætte. Dermed, den mellemliggende reaktion var nødvendig."

Ved at demonstrere, hvordan normalt ineffektive katalysatorer kan gøres effektive i en reaktion gennem en mellemmand, forskerne mener, at det er muligt at designe systemer ved hjælp af katalysatorer, der er fysisk adskilt fra et reaktionsmedium, der ellers ville skade katalysatoren. Denne nye tilgang kunne give en effektiv løsning til miljøsanering, såsom at rense en forurenet flod, hvor nogle komponenter i vandet kan være giftige for katalysatoren.

"Du kunne bruge en membran til at adskille katalysatoren fra mediet, brug derefter katalysatoren til at generere et mellemled, der kan passere gennem membranen og nedbryde forureningen på en mere sikker måde, " sagde Kung.

Arbejdet åbner også døren til større frihed i industriel kemisk produktion. En evne til at udføre koblede parallelle reaktioner uden begrænsningerne af traditionel støkiometri - de strenge mængdebaserede forhold mellem reaktionsprodukter - kunne gøre industrielle kulbrinte-cooxidationsprocesser mere alsidige, effektiv, og omkostningseffektiv. Disse processer er afgørende i produktionen af ​​benzin og omdannelse af naturgas til flydende brændstof og andre kemikalier.

Forskerholdets næste skridt er at bestemme gulds reaktivitet mod andre kulbrinter med forskellige bindingsstyrker. De håber også at finde ud af, om lignende fænomen kan anvendes på andre metaller, såsom sølv eller kobber.

"Vi er der ikke helt endnu, men når vi først forstår forholdet mellem guldklyngers reaktivitet over for kulbrinter og bindingsstyrker, vi vil være i stand til at forudsige og designe andre kemiske reaktionssystemer, " sagde Kung.