Forskere udvider måder at forbedre selektiviteten af ​​katalytiske reaktioner på

Forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Harvard Department of Chemistry &Chemical Biology og Utrecht University har rapporteret om en tidligere uhåndgribelig måde at forbedre selektiviteten af ​​katalytiske reaktioner på og tilføjet en ny metode til at øge effektiviteten af ​​katalysatorer til en potentielt bred vifte af anvendelser i forskellige industrier, herunder lægemidler, kosmetik og meget mere.

Forskningen er publiceret i Nature Catalysis.

Den kemiske industri er afhængig af katalysatorer til over 90% af sine processer, og næsten alle disse katalysatorer består af nanopartikler fordelt oven på et substrat. Forskere har længe haft mistanke om, at størrelsen af ​​individuelle nanopartikler og afstanden mellem dem spiller en vigtig rolle for hastigheden af ​​og de produkter, der produceres i den katalytiske reaktion, men fordi nanopartikler er tilbøjelige til at bevæge sig rundt og agglomerere under katalyse, har det været svært at studere præcis hvordan.

I løbet af det sidste årti har Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson-professor i materialevidenskab og professor i kemi og kemisk biologi og hendes laboratorium hentet inspiration fra naturen til at bygge højt ordnede, porøse materialer til en lang række katalytiske reaktioner.

Inspireret af strukturen af ​​sommerfuglevinger designede forskerne en ny katalysatorplatform, der delvist indlejrer nanopartikler i substratet og fanger dem, så de ikke bevæger sig rundt under katalyse, mens de efterlader resten af ​​nanopartiklernes overflade blottet, hvilket gør dem i stand til at udføre de katalytiske reaktioner effektivt og uden agglomeration.

Forskerne fandt ud af, at afstanden mellem partikler havde en enorm indflydelse på reaktionens selektivitet.

"Mange industrielt relevante kemiske reaktioner følger en kaskade, hvorved kemikalie A omdannes til kemikalie B, som derefter kan omdannes til kemikalie C og så videre," sagde Kang Rui Garrick Lim, en kandidatstuderende i Aizenberg Lab og førsteforfatter af undersøgelsen .

"I nogle katalytiske processer er det mellemliggende kemikalie, kemikalie B, målet, mens det i andre er slutproduktet, kemikalie C. Katalysatorens selektivitet refererer til, om den favoriserer produktionen af ​​kemikalie B eller kemikalie C."

Et godt eksempel på dette er produktionen af ​​benzylalkohol, et kemikalie, der bruges i alt fra shellacks, maling og læderproduktion til intravenøs medicin, kosmetik og aktuelle lægemidler.

Benzylalkohol er det mellemliggende kemikalie B, der stammer fra hydrogeneringen af ​​benzaldehyd (kemikalie A), før reaktionen skaber toluen (kemikalie C), et andet almindeligt anvendt kemikalie, men af ​​lavere værdi. For at producere benzylalkohol effektivt skal dannelsen af ​​toluen undertrykkes.

I øjeblikket, for at gøre den mere anvendelige benzylalkohol, bliver den katalytiske hydrogeneringsreaktion bremset eller ikke fuldført for at sikre, at reaktionen stopper ved B og danner så lidt toluen som muligt.

"Generelt, for at gøre disse mellemliggende kemikalier, gør du katalysatoren mindre reaktiv og den samlede reaktion langsommere, hvilket slet ikke er produktivt," sagde Lim. "Katalysatorer er beregnet til at fremskynde tingene, ikke bremse dem."

Forskerne demonstrerede deres platform i den katalytiske dannelse af benzylalkohol. Lim og teamet fandt ud af, at når katalytiske metalnanopartikler blev placeret længere fra hinanden på substratet, var reaktionen mere selektiv over for benzylalkohol, det mellemliggende kemikalie.

Når nanopartiklerne var tættere på hinanden, var reaktionen mere selektiv over for toluen, slutproduktet. I betragtning af at afstanden mellem nanopartikler kan justeres syntetisk ved hjælp af den bioinspirerede katalysatorplatform, tyder forskningen på, at den samme katalysatorplatform let kan tilpasses til en række mellem- eller slutproduktkemikalier.

"Katalyse er central for produktionen af ​​en lang række ekstremt vigtige materialer, der bruges i lægemidler, forbrugerprodukter og i fremstillingen af ​​mange produkter, vi alle bruger i hverdagen," sagde Aizenberg.

"At tilføje dette selektivitetsforbedrende værktøj til kemikerens arsenal er ekstremt vigtigt. Det vil muliggøre mere effektiv tuning af katalytiske processer, mere økonomisk brug af råvarerne ledsaget af reduktion af energiforbrug og affaldsgenerering. Vi håber, at kemikere vil bruge vores platform i yderligere optimering af nye og eksisterende katalytiske processer."

Dernæst vil holdet bruge den samme platform til at forstå, hvordan størrelsen af ​​nanopartikler påvirker reaktionen ved faste afstande mellem nanopartikler.

Harvards kontor for teknologiudvikling har beskyttet den intellektuelle ejendomsret fra professor Aizenbergs laboratorium, som er den underliggende teknologi for denne forskning.

Forskningen var medforfatter af Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi E. S. van der Hoeven og Michael Aizenberg.

Flere oplysninger: Kang Rui Garrick Lim et al., Nanopartikelnærhed kontrollerer selektivitet i benzaldehydhydrogenering, Naturkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01104-1

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences