Een onderzoeksteam van de Northwestern University heeft een nieuwe benadering onthuld voor het uitvoeren van chemische reacties - een die geen direct contact met een katalysator vereist.

In typische katalytische reacties, de katalysator - de stof die de snelheid van een chemische reactie verhoogt - en de substraatreactanten moeten in hetzelfde medium aanwezig zijn en in direct contact met elkaar om een ​​reactie te veroorzaken. Het nieuwe systeem van het onderzoeksteam demonstreert een chemische reactie die wordt geproduceerd door een tussenpersoon die wordt gecreëerd door een afzonderlijke chemische reactie. De bevindingen kunnen toepassingen hebben in milieusanering en brandstofproductie.

"Het verbeteren van ons begrip van de relatie tussen katalysator en tussenreactie zou de mogelijkheden van katalytische reacties aanzienlijk kunnen vergroten, " zei Harold Kung, Walter P. Murphy hoogleraar chemische en biologische technologie aan de McCormick School of Engineering, die het onderzoek leidde. "Door te leren dat een chemische reactie kan verlopen zonder direct contact met een katalysator, we openen de deur naar het gebruik van katalysatoren van aardrijke elementen om reacties uit te voeren die ze normaal niet zouden katalyseren."

De studie, getiteld "Noncontact Catalysis:Initiation of Selective Ethylbenzeen Oxidation by Au Cluster-Facilitated Cyclooctene Epoxidation, " werd op 31 januari gepubliceerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Mayfair Kung, een wetenschappelijk universitair hoofddocent chemische en biologische technologie, was een co-corresponderende auteur op het papier. Linda Breedband, Sarah Rebecca Roland Professor of Chemical and Biological Engineering en associate dean for research, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Het onderzoek bouwt voort op eerder werk waarin het team de selectieve oxidatie van cyclo-octeen, een soort koolwaterstof, onderzocht met goud (Au) als katalysator. Uit de studie bleek dat de reactie werd gekatalyseerd door opgeloste gouden nanoclusters. Verrast, de onderzoekers gingen onderzoeken hoe goed de goudclusters selectieve oxidatie van andere koolwaterstoffen konden katalyseren.

Met behulp van een platform dat ze ontwikkelden genaamd Noncontact Catalysis System (NCCS), de onderzoekers testten de effectiviteit van een goudkatalysator tegen ethylbenzeen, een organische verbinding die veel voorkomt bij de productie van veel kunststoffen. Hoewel ethylbenzeen geen enkele reactie onderging in de aanwezigheid van de goudclusters, het team ontdekte dat toen de goudclusters reageerden met het cycloocteen, het resulterende molecuul leverde de noodzakelijke tussenpersoon om ethylbenzeenoxidatie te produceren.

"De twee reacties zijn volledig onafhankelijk van elkaar, " zei Kung. "We zagen dat de gouden nanoclusters en het cycloocteen niet effectief waren om de ethylbenzeen op zichzelf te oxideren. Direct contact zorgde er niet voor dat de reactie doorging. Dus, de tussenreactie was nodig."

Door aan te tonen hoe normaal ineffectieve katalysatoren effectief kunnen worden gemaakt in een reactie via een tussenpersoon, de onderzoekers denken dat het mogelijk is om systemen te ontwerpen met katalysatoren die fysiek gescheiden zijn van een reactiemedium dat anders de katalysator zou beschadigen. Deze nieuwe aanpak zou een effectieve oplossing kunnen bieden voor milieusanering, zoals het schoonmaken van een vervuilde rivier, waar sommige componenten in het water giftig kunnen zijn voor de katalysator.

"Je zou een membraan kunnen gebruiken om de katalysator van het medium te scheiden, gebruik vervolgens de katalysator om een ​​tussenpersoon te genereren die door het membraan kan gaan en de verontreiniging op een veiligere manier kan afbreken, ' zei Kung.

Het werk opent ook de deur naar meer vrijheid in de industriële chemische productie. Een vermogen om gekoppelde parallelle reacties uit te voeren zonder de beperkingen van traditionele stoichiometrie - de strikte op kwantiteit gebaseerde relaties tussen reactieproducten - zou industriële koolwaterstofco-oxidatieprocessen veelzijdiger kunnen maken, efficiënt, en kosteneffectief. Deze processen zijn van vitaal belang bij de productie van benzine en de omzetting van aardgas in vloeibare brandstof en andere chemicaliën.

De volgende stap van het onderzoeksteam is het bepalen van de reactiviteit van goud tegen andere koolwaterstoffen met verschillende bindingssterkten. Ze hopen ook te leren of een soortgelijk fenomeen kan worden toegepast op andere metalen, zoals zilver of koper.

“We zijn er nog niet helemaal, maar als we eenmaal de relatie begrijpen tussen de reactiviteit van goudclusters ten opzichte van koolwaterstoffen en bindingssterkten, we zullen in staat zijn om andere chemische reactiesystemen te voorspellen en te ontwerpen, ' zei Kung.