Nămolul organic misterios crește eficiența reacției chimice – Detecția poate reduce impactul producției asupra mediului

Cercetătorii din Illinois fac parte dintr-o echipă multi-instituțională care a descoperit că solvenții reacționează spontan cu nanoparticulele metalice pentru a forma complexe reactive care pot îmbunătăți performanța catalizatorului, reducând în același timp impactul asupra mediului al producției chimice. Retipărit cu permisiunea lui D. Flaherty și colab., Science 371: 6529 (2021). Credit: Amabilitatea grafică Alex Jerez, Imaging Technology Group – Institutul Beckman

Producătorii de produse chimice folosesc adesea solvenți toxici, cum ar fi alcoolii și benzenul, pentru a produce produse precum produse farmaceutice și materiale plastice. Cercetătorii examinează un fenomen neglijat și neînțeles anterior în reacțiile chimice utilizate pentru fabricarea acestor produse. Această descoperire aduce o nouă înțelegere fundamentală a chimiei catalitice și o piatră de temelie pentru aplicații practice care într-o bună zi pot face producția chimică mai puțin risipitoare și ecologică.

Studiul, condus de cercetătorul David Flaherty din Universitatea Illinois Urbana-Champaign, de la Universitatea din Minnesota, de cercetătorul Twin Cities Matthew Neurock și de cercetătorul Virginia Technology, Ayman Karim, a fost publicat în revista Science.

Combinația de solvenți și nanoparticule metalice accelerează numeroase reacții chimice și ajută la maximizarea randamentelor și a marjelor de profit pentru industria chimică. Cu toate acestea, mulți solvenți sunt toxici și greu de eliminat în siguranță, au spus cercetătorii. Apa funcționează și ea, dar nu este la fel de eficientă sau de fiabilă ca solvenții organici. Motivul schimbării a fost considerat a fi solubilitatea limitată a unor reactanți în apă. Cu toate acestea, numeroase nereguli în datele experimentale au determinat echipa să-și dea seama că motivele acestor schimbări nu au fost pe deplin înțelese.

Pentru a înțelege mai bine procesul, echipa a efectuat experimente pentru a analiza reducerea oxigenului la peroxid de hidrogen – un grup folosind apă, altul cu metanol și altele cu un amestec de apă și metanol. Toate experimentele au folosit nano-particule de paladiu.

Misterioasă Organică Scum UIUC Echipa de cercetare

Studenții absolvenți Abinaya Sampath, stânga, și Thomas Ricciardulli; profesor de inginerie chimică și biomoleculară David Flaherty; și studentul absolvent Jason Adams. Credit: Fotografie de L. Brian Stauffer

„În experimentele cu metanol, am observat descompunerea spontană a solventului lăsând un reziduu organic sau nămol pe suprafața nanoparticulelor”, a spus Flaherty, profesor de inginerie chimică și biomoleculară în Illinois. „În unele cazuri, reziduurile asemănătoare spumei aderă la nanoparticule și măresc viteza de reacție și cantitatea de peroxid de hidrogen formată în loc să inhibe reacția. Această observație ne-a făcut să ne întrebăm cum ar putea ajuta. “

Echipa a descoperit că reziduurile sau mediatori redox de suprafață sunt specii care conțin oxigen, inclusiv o componentă hidroximetilică majoră. Se acumulează pe suprafața nanoparticulelor de paladiu și deschide noi căi de reacție chimică, relatează studiul.

„Odată format, reziduul devine parte a ciclului catalitic și este probabil să fie responsabil pentru unele dintre diferențele de eficiență dintre solvenți raportate în ultimii 40 de ani de lucru asupra acestei reacții”, a spus Flaherty. Munca noastra ofera dovezi puternice ca acesti mediatori redox superficiali sunt formati in solventi alcoolici si ca pot explica multe mistere ale trecutului despre aceasta chimie.

Lucrând cu mai multe tipuri de experimente și simulări de calcul, echipa a aflat că acești mediatori redox transferă în mod eficient atât protoni cât și electroni în reacții, în timp ce reacțiile din apa curată transferă protoni cu ușurință, dar nu și electroni. Acești intermediari modifică, de asemenea, suprafața nanoparticulelor într-un mod care scade bariera energetică care trebuie depășită pentru a transfera protoni și electroni, raportează studiul.

„Arătăm că solvenții alcoolici, precum și aditivii organici pot reacționa pentru a forma mediatori de suprafață legați de metal care acționează în același mod în care cofactorii enzimatici acționează asupra corpului nostru în catalizarea reacțiilor de oxidare și reducere”, a spus Neurock.

Mai mult, această lucrare poate avea implicații pentru reducerea cantităților de solvent utilizat și a deșeurilor generate în industria chimică.

„Cercetările noastre sugerează că, în anumite situații, producătorii de substanțe chimice pot forma mediatori de suprafață redox prin adăugarea unor cantități mici de aditiv în apa curată în loc să pompeze mii de litri de solvent organic prin intermediul acestor reactoare”, a spus Flaherty.

Referință: „Moleculele solventului formează mediatori de redox de suprafață in situ și localizează reducerea oxigenului în Pd” de Jason S. Adams, Ashwin Chemburkar, Pranjali Priyadarshini, Tomas Ricciardulli, Yubing Lu, Vineet Maliekkal, Abinaya Sampikoff, Stin Karim, Matthew Neurock și David W. Flaherty, 5 februarie 2020, ştiinţă.
DOI: 10.1126 / science.abc1339

Institutul de Energie și Biosciences prin programul EBI-Shell și National Science Foundation au sprijinit această cercetare.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Mișcări ale electronilor de ceas în interiorul unui atom: viteza obturatorului de o milionime dintr-o miliardime de secundă

Reprezentarea artistică a experimentului. Întârzierea inerentă între emisia celor două tipuri de electroni duce la o elipsă caracteristică în datele analizate. În...

Materialul nou poate proteja mai bine soldații, sportivii și șoferii de șoc, impact și explozii

Soldații, sportivii și șoferii pot face viața mai sigură datorită unui nou proces care ar putea duce la o protecție mai eficientă și reutilizabilă...

A fost găsit cel mai vechi loc de înmormântare uman din Africa – un copil a fost îngropat în urmă cu 78.000 de ani

Vedere generală a zonei peșterii Panga ya Saidi. Observați săparea șanțului unde a fost deschisă înmormântarea. Credit: Muhammad Javad Shoaee Descoperirea celui mai...

Se preconizează că speciile non-native vor crește cu 36% în întreaga lume până în 2050

Gâscă egipteană (Alopochen aegyptiaca) originară din Africa și stabilită acum în Europa Centrală și de Vest. Credit: profesorul Tim Blackburn, UCL Se preconizează că...

Visele noastre pot fi ciudate

Această ilustrație reflectă supra-ipoteza creierului, care susține că calitatea redusă și halucinantă a viselor nu este o greșeală, ci o trăsătură particulară, deoarece ajută...

Newsletter

Subscribe to stay updated.