Voortbouwend op eerder onderzoek dat in 2016 werd gepubliceerd en waaruit bleek dat een elektrisch veld reacties in een gat op nanoschaal kon katalyseren, hebben de wetenschappers van het Departement Scheikunde de methodologie opgeschaald om reacties op een elektrode met een centimeteroppervlak elektrisch te katalyseren. Dit opent de weg voor een schoner alternatief voor op metaal gebaseerde katalysatoren, waardoor de manier waarop chemische verbindingen worden geproduceerd mogelijk wordt getransformeerd.

Het versnellen van chemische reacties tussen moleculen door middel van katalyse is van fundamenteel belang voor het maken van de nieuwe materialen die nodig zijn voor een reeks industrieën en technologieën die producten met een hoge toegevoegde waarde produceren, zoals farmaceutische producten. Momenteel zijn deze reacties voornamelijk afhankelijk van katalysatoren die edelmetalen bevatten, zoals platina, palladium en rhodium.

Niet alleen zijn deze zeer duur en schadelijk voor het milieu om te winnen, maar de praktijk gebruikt ook grote hoeveelheden energie en de giftige bijproducten zijn moeilijk en kostbaar om te verwijderen.

Het mogelijk maken van katalyse via elektrische velden maakt een goedkopere, energiezuinigere en minder vervuilende oplossing voor dit probleem mogelijk.

‘Het gebruik van elektrische velden als de enige katalysator voor chemische reacties is al lang theoretisch voorspeld. Het idee kwam van wetenschappers die de mechanismen van enzymatische katalyse in de natuur bestudeerden, die voorspelden dat grote elektrische velden binnen de actieve plaatsen van het enzym zouden kunnen fungeren als katalysator in enzymatische reacties. chemische reacties", zegt professor Ismael Diez Perez.

"In 2016 hebben we bij King's deze theorie feitelijk in het laboratorium bewezen. Door twee reactanten bloot te stellen aan een spanningsafhankelijke kloof op nanoschaal, hebben we een krachtveld gecreëerd dat de vorming van het reactieproduct versnelt."

"Sindsdien hebben we een nieuwe technologie ontwikkeld om geëlektrificeerde chemische productie op veel grotere schaal mogelijk te maken. We hebben een microfluïdische cel ontworpen die een continue stroom van reactanten creëert die samen worden gekatalyseerd binnen een elektrisch veld. De interface van de elektroden is opgesloten in het microfluïdische kanaal induceert een chemische reactie op centimetergebieden van de elektroden, waardoor nieuwe chemische verbindingen worden geproduceerd."

Professor Diez Perez en zijn team geloven dat dit proces de farmacologische industrie kan transformeren, die afhankelijk is van de productie van zeer fijne chemische verbindingen met toegevoegde waarde, die normaal gesproken zeer duur zijn om te produceren via traditionele katalysemethoden. De wetenschappers voorspellen zelfs dat het elektrische veld onder controle kan worden gehouden om zuivere isomere chemische verbindingen te vormen – een cruciale stap in de productie van medicijnen die de juiste moleculaire vorm hebben die het menselijk lichaam kan herkennen.

"Deze doorbraak luidt het begin in van een zeer opwindende stapsgewijze verandering in het transformeren van de manier waarop we katalyse beheren. We hebben nu bewezen dat elektrische velden kunnen worden opgeschaald om milligrammen chemische verbindingen te produceren, de volgende stap is het bouwen van nog grotere modellen voor gebruik in de hele wereld. veel verschillende velden en industrieën, waardoor goedkopere, groenere productiemethoden mogelijk zijn", zegt Deiz Perez.

Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications .

Meer informatie: Semih Sevim et al, Elektrostatische katalyse van een klikreactie in een microfluïdische cel, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44716-2

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door King's College London