Interaktiv størrelseskontrol af katalysatornanopartikler

Hvor mange nanometer skal katalysatornanopartikler være for at optimere reaktionsforløbet? Forskere leder normalt efter svaret gennem møjsommelige, gentagne tests. På Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi i Warszawa, en kvalitativt ny teknik blev udviklet til at forbedre processen med en sådan optimering i mikrofluidiske systemer. Størrelsen af ​​katalysatornanopartiklerne kan nu ændres interaktivt, under en kontinuerlig strømning gennem katalysatorlejet.

Ydeevnen af ​​metal-bærer katalysatorer afhænger ofte af størrelsen af ​​metal nanopartikler. Som regel, deres størrelse bestemmes over mange på hinanden følgende, besværlige tests. Metoden er ufleksibel - når først reaktionerne er startet, intet kan gøres med katalysatoren. På Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (IPC PAS) i Warszawa, gruppen af ​​Dr. Jacinto Sa udviklede en ny teknik til at optimere kemiske reaktioner under den kontinuerlige mikrofluidstrøm gennem katalysatorlejet, og dermed bogstaveligt "on the fly." Dette blev opnået gennem interaktiv kontrol af størrelsen af ​​katalysatornanopartiklerne. På grund af sin enkelhed og effektivitet, denne innovative teknik skulle snart blive brugt i forskningen i de nye katalysatorer til medicinal- og parfumeindustrien, blandt andre.

"Flowkatalyse bliver mere og mere populært, fordi det fører til intensivering af processer, der er vigtige for industrien. Vores teknik er næste skridt i denne retning:Vi reducerer den tid, det tager at bestemme størrelsen af ​​katalysatornanopartikler. Det betyder, at vi kan mere hurtigt optimere de kemiske reaktioner og endda interaktivt ændre deres forløb Et vigtigt argument her er også, at hele processen udføres i en lille enhed, så vi reducerer omkostningerne til ekstra udstyr, " siger Dr. Sa.

Forskere fra IPC PAS demonstrerede deres præstation med et system baseret på en kommercielt tilgængelig flow mikroreaktor udstyret med en udskiftelig patron med en passende designet metalkatalysator. Ved elektrolyse af vand, den valgte mikroreaktor kunne levere brint, nødvendig for hydrogenering af kemiske forbindelser i den strømmende væske, til katalysatorlejet. Reaktionsmediet var en opløsning af citral, en organisk aldehydforbindelse med en citronduft.

Forsøget brugte nikkelkatalysator NiTSNH ₂ i form af et fint sort pulver, som tidligere er udviklet på IPC PAS. Den består af korn af polymerharpiks dækket med nikkelnanopartikler. Kornstørrelsen er ca. 130 mikrometer og katalysatorens nanopartikler er i første omgang tre til fire nanometer.

"Kernen i vores præstation er at vise, hvordan man modificerer morfologien af ​​katalysatornanopartikler i en sekvens med en kemisk reaktion. Efter hver ændring i størrelsen af ​​nanopartiklerne, vi får øjeblikkelig information om effekten af ​​denne modifikation på katalysatoraktiviteten. Derfor, det er nemt at vurdere, hvilke nanopartikler der er optimale til en given kemisk reaktion, " forklarer Ph.D.-studerende Damian Gizinski (IPC PAS).

I systemet beskrevet i journalen ChemCatChem , forskerne øgede størrelsen af ​​katalysatornanopartiklerne til fem, ni og 12 nm på en kontrolleret måde. Væksteffekten blev opnået ved at skylle katalysatorlejet med en alkoholopløsning indeholdende nikkelioner. Inde i sengen, de blev aflejret på de eksisterende nanopartikler og reduceret under påvirkning af brint. Den endelige størrelse af nanopartiklerne afhænger her af eksponeringstiden for opløsningen med Ni ²⁺ ioner.

I reaktionen med citral, de bedste katalytiske præstationer blev opnået med 9 nm nanopartikler. Forskerne observerede også, at op til 9 nm, væksten af ​​nanopartikler begunstigede omdirigeringen af ​​reaktionen mod produktion af citronellal, mens over denne værdi var vejen til citronellol foretrukket (forskelle skyldes det faktum, at mindre nanopartikler favoriserede selektiv hydrogenering af umættet binding C=C, mens større aktiverede både bindingen C=C og carbonylbindingen C=O). Disse to forbindelser har lidt forskellige egenskaber:citronellal bruges til at frastøde insekter, især myg, og som et antifungalt middel; citronellol frastøder ikke kun insekter, men tiltrækker også mider, det bruges også til at fremstille parfume.

For potentielle anvendelser af den nye teknik, det er vigtigt, at efter ændringen, katalysatorerne var stabile i mindst fem timer i en kontinuerlig strøm af reaktionsopløsningen, både med hensyn til dets aktivitet og selektivitet.