Chemische fabrikanten gebruiken vaak giftige oplosmiddelen zoals alcoholen en benzeen om producten zoals farmaceutische producten en kunststoffen te maken. Onderzoekers onderzoeken een eerder over het hoofd gezien en verkeerd begrepen fenomeen in de chemische reacties die worden gebruikt om deze producten te maken. Deze ontdekking brengt een nieuw fundamenteel begrip van katalytische chemie en een opstap naar praktische toepassingen die op een dag de chemische productie minder verspillend en milieuvriendelijker kunnen maken.

De studie onder leiding van de Urbana-Champaign-onderzoeker van de Universiteit van Illinois, David Flaherty, Universiteit van Minnesota, Twin Cities-onderzoeker Matthew Neurock en Virginia Tech-onderzoeker Ayman Karim wordt gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

De combinatie van oplosmiddelen en metalen nanodeeltjes versnelt veel chemische reacties en helpt de opbrengst en winstmarges voor de chemische industrie te maximaliseren. Echter, veel oplosmiddelen zijn giftig en moeilijk veilig te verwijderen, aldus de onderzoekers. Waterwerken, te, maar het is lang niet zo efficiënt of betrouwbaar als organische oplosmiddelen. Men dacht dat de reden voor het verschil de beperkte oplosbaarheid van sommige reactanten in water was. Echter, meerdere onregelmatigheden in experimentele gegevens hebben ertoe geleid dat het team zich realiseerde dat de redenen voor deze verschillen niet volledig werden begrepen.

Om het proces beter te begrijpen, het team voerde experimenten uit om de reductie van zuurstof tot waterstofperoxide te analyseren - een set met water, een andere met methanol, en andere met mengsels van water en methanol. Alle experimenten gebruikten palladium nanodeeltjes.

"Bij experimenten met methanol, we observeerden spontane ontleding van het oplosmiddel dat een organisch residu achterlaat, of uitschot, op het oppervlak van de nanodeeltjes, " zei Flaherty, een professor in chemische en biomoleculaire engineering in Illinois. "In sommige gevallen, het schuimachtige residu klampt zich vast aan de nanodeeltjes en verhoogt de reactiesnelheden en de hoeveelheid gevormde waterstofperoxide in plaats van de reactie te belemmeren. Deze observatie deed ons afvragen hoe het zou kunnen helpen."

Het team ontdekte dat het residu, of oppervlakte-redoxmediator, bevat zuurstofhoudende soorten, waaronder een sleutelcomponent hydroxymethyl. Het hoopt zich op op het oppervlak van de palladium-nanodeeltjes en opent nieuwe chemische reactiepaden, de onderzoeksrapporten.

"Eenmaal gevormd, het residu wordt onderdeel van de katalytische cyclus en is waarschijnlijk verantwoordelijk voor enkele van de verschillende efficiënties van oplosmiddelen die zijn gerapporteerd in de afgelopen 40 jaar aan deze reactie, " zei Flaherty. "Ons werk levert sterk bewijs dat deze oppervlakte-redoxmediatoren zich vormen in alcoholoplosmiddelen en dat ze veel mysteries uit het verleden voor deze chemie kunnen verklaren."

Door te werken met meerdere soorten experimenten en computationele simulaties, het team ontdekte dat deze redoxmediatoren zowel protonen als elektronen effectief overdragen aan reactanten, overwegende dat reacties in zuiver water protonen gemakkelijk overdragen, maar geen elektronen. Deze mediatoren veranderen ook het oppervlak van de nanodeeltjes op een manier die de energiebarrière verlaagt die moet worden overwonnen voor proton- en elektronenoverdracht, de onderzoeksrapporten.

"We laten zien dat de alcoholoplosmiddelen en organische additieven kunnen reageren om metaalgebonden oppervlaktemediatoren te vormen die ongeveer op dezelfde manier werken als de enzymatische cofactoren in ons lichaam bij het katalyseren van oxidatie- en reductiereacties, ' zei Neurock.

Aanvullend, dit werk kan gevolgen hebben voor het verminderen van de hoeveelheden oplosmiddelen die in de chemische industrie worden gebruikt en het afval dat wordt gegenereerd.

"Ons onderzoek suggereert dat voor sommige situaties, chemische producenten zouden de oppervlakte-redoxmediatoren kunnen vormen door kleine hoeveelheden van een additief aan zuiver water toe te voegen in plaats van duizenden liters organische oplosmiddelen door deze reactoren te pompen, ' zei Flaherty.