Organisk opløsningsmiddelsystem kan forbedre katalysatorgenanvendelse og skabe nye nanomedicinske anvendelser

Ædelmetaller som platin og palladium bliver stadig vigtigere på grund af vækst i miljøvenlige applikationer som brændselsceller og forureningskontrolkatalysatorer. Men verden har begrænsede mængder af disse materialer, hvilket betyder, at producenterne bliver nødt til at stole på effektive genbrugsprocesser for at hjælpe med at imødekomme efterspørgslen.

Eksisterende genbrugsprocesser bruger en kombination af to uorganiske syrer kendt som "aqua regia" til at opløse ædelmetaller, en klasse af materialer, der inkluderer platin, palladium, guld og sølv. Men fordi metallerne ofte opløses sammen, urenheder, der indføres i genbrugsprocessen, kan skade effektiviteten af ​​katalysatorer fremstillet af de genbrugsmaterialer. Nu, forskere ved Georgia Institute of Technology har udviklet en ny organisk opløsningsmiddelproces, der kan hjælpe med at løse problemet - og åbne op for nye muligheder for at bruge disse metaller i kræftbehandling, mikroelektronik og andre applikationer.

Det nye Georgia Tech opløsningsmiddelsystem bruger en kombination af to kemikalier - thionylchlorid og en række organiske reagenser såsom pyridin, N, N-dimethylformamid (DMF), pyrimidin eller imidazol. Koncentrationerne kan justeres til fortrinsvis at opløse guld eller palladium, og endnu vigtigere, ingen kombination af de organiske kemikalier opløser platin. Denne evne til fortrinsvis at opløse ædelmetaller skaber et tilpasset system, der giver et højt niveau af kontrol over processen.

"Vi skal være i stand til selektivt at opløse disse ædelmetaller for at sikre deres renhed i en række vigtige applikationer, sagde C.P. Wong, en Regents-professor ved Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Selvom vi ikke helt forstår, hvordan det fungerer endnu, Vi mener, at dette system åbner en masse nye muligheder for at bruge disse metaller."

Et papir, der beskriver forskningen, blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Katalysatorsystemer, der gør brug af mere end ét metal, såsom palladium med en guldkerne, bliver mere udbredt i industrielle processer. For at genbruge dem, det nye opløsningsmiddelsystem – kaldet "organisk aqua regia" – kunne først bruge en kombination af thionylchlorid og DMF til at opløse guldet, efterlader hule palladiumkugler. Så kunne palladiumkuglerne opløses ved hjælp af en anden kombination.

Indtil nu, forskerne har vist, at opløsningsmiddelsystemet selektivt kan opløse guld og palladium fra en blanding af guld, palladium og platin. De har også brugt det til at fjerne guld fra en blanding af guld og palladium.

Ud over genbrug, det nye opløsningsmiddelsystem kunne også give nye måder at fremstille kræftkemoterapimidler i nanometerskala, der involverer disse metaller. Og den nye opløsningsmiddeltilgang kan få vigtige konsekvenser for elektronikindustrien, som bruger ædelmetaller, der ofte skal fjernes efter specifikke forarbejdningstrin. Ud over selektivitet, den nye tilgang byder også på andre fordele for elektronikfremstilling – ingen potentielt skadelig forurening efterlades, og behandlingen foregår under milde forhold.

"I halvlederproduktion, folk ønsker at undgå at have en metalkatalysator tilbage i enheder, men i mange tilfælde, de kan ikke bruge eksisterende vandbaserede processer, fordi disse kan beskadige halvlederoxiderne og indføre forurening med frie ioner i den vandige opløsning, " forklarede Wei Lin, en færdiguddannet forskningsassistent i Wongs laboratorium. "Brug af dette organiske system undgår problemet med fugt."

Brug af den selektive proces kunne også lette genanvendelse af ædelmetaller, der anvendes i elektronikfremstilling. Trådbinding, metalliserings- og sammenkoblingsprocesser bruger i øjeblikket ædelmetaller.

Ædelmetaller er også grundlaget for meget udbredte kemoterapimidler, men kemien ved at syntetisere dem involverer en kompleks proces af overfladeaktive stoffer og prækursorer. Wong mener, at den nye Georgia Tech opløsningsmiddelproces kan tillade skabelse af nye forbindelser, der kan tilbyde forbedrede terapeutiske effekter.

"Vi håber, at dette vil åbne op for nogle nye måder at fremstille disse vigtige farmaceutiske forbindelser såvel som nye guld- og palladiumkatalytiske systemer, " han sagde.

Lin opdagede det nye opløsningsmiddelsystem ved et uheld i 2007, mens han brugte thionylchlorid i et ikke-relateret projekt, der involverede binding af kulstofnanorør til et guldsubstrat. "Jeg efterlod min prøve i opløsningen og gik til frokost, " huskede han. "Så modtog jeg et par telefonopkald, og prøven blev i løsningen for længe. Da jeg fik den ud, guldet var væk."

Forskerne var fascineret af opdagelsen og forfulgte en forklaring, da de havde tid i løbet af de sidste tre år. De testede andre reagenser blandet med thionylchloridet, og lærte de nødvendige proportioner til selektiv opløsning af palladium og guld. De arbejdede sammen med andre forskere ved Georgia Tech, herunder nanoteknologipioneren Zhong Lin Wang, at udvikle en grundlæggende forståelse af processen – forskning, der fortsætter.

Kemikalierne, der bruges af Georgia Tech-forskerholdet, er velkendte i organisk kemi, og bruges i dag i polymersyntese. Ud over deres selektivitet, det nye opløsningsmiddelsystem er mere miljøvenligt end traditionelt aqua regia – som er en kombination af koncentreret salpetersyre og saltsyre – og kan fungere under milde forhold. Potentielle ulemper sammenlignet med traditionel aqua regia inkluderer højere omkostninger og langsommere opløsningshastigheder.

"Vi har åbnet op for en ny tilgang til ædelmetaller ved hjælp af organisk kemi, " tilføjede Wong. "Vi forstår endnu ikke helt, hvilken mekanisme dette virker med, men vi håber at udvikle en mere fuldstændig forståelse, der kan føre til yderligere ansøgninger."