Onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), het Harvard Department of Chemistry &Chemical Biology en de Universiteit Utrecht hebben gerapporteerd over een voorheen ongrijpbare manier om de selectiviteit van katalytische reacties te verbeteren. de werkzaamheid van katalysatoren voor een potentieel breed scala aan toepassingen in verschillende industrieën, waaronder de farmaceutische industrie, cosmetica en nog veel meer.

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Catalysis.

De chemische industrie is voor meer dan 90% van haar processen afhankelijk van katalysatoren en vrijwel al deze katalysatoren bestaan ​​uit nanodeeltjes die op een substraat zijn verspreid. Onderzoekers hebben lang vermoed dat de grootte van individuele nanodeeltjes en de afstand daartussen een belangrijke rol spelen in de snelheid van en de producten die worden geproduceerd in de katalytische reactie. Maar omdat nanodeeltjes de neiging hebben om te bewegen en te agglomereren tijdens de katalyse, was het moeilijk om dit te bestuderen. precies hoe.

De afgelopen tien jaar hebben Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson hoogleraar materiaalkunde en hoogleraar scheikunde en chemische biologie, en haar laboratorium inspiratie uit de natuur gehaald om zeer geordende, poreuze materialen te bouwen voor een breed scala aan katalytische reacties. P>

Geïnspireerd door de structuur van vlindervleugels ontwierpen de onderzoekers een nieuw katalysatorplatform dat nanodeeltjes gedeeltelijk in het substraat inbedt, zodat ze niet bewegen tijdens de katalyse, terwijl de rest van het oppervlak van de nanodeeltjes bloot blijft, waardoor ze kunnen presteren. de katalytische reacties efficiënt en zonder agglomeratie.

De onderzoekers ontdekten dat de afstand tussen deeltjes een enorme impact had op de selectiviteit van de reactie.

"Veel industrieel relevante chemische reacties volgen een cascade waarbij chemische A wordt omgezet in chemische B, die vervolgens kan worden omgezet in chemische C, enzovoort", zegt Kang Rui Garrick Lim, een afgestudeerde student aan het Aizenberg Lab en eerste auteur van het onderzoek. .

"Bij sommige katalytische processen is de tussenliggende chemische stof, chemische B, het doel, terwijl dit bij andere het eindproduct is, chemische C. De selectiviteit van de katalysator heeft betrekking op de vraag of deze de productie van chemische B of chemische C bevordert."

Een goed voorbeeld hiervan is de productie van benzylalcohol, een chemische stof die in alles wordt gebruikt, van schellak, verf en leerproductie tot intraveneuze medicijnen, cosmetica en plaatselijke medicijnen.

Benzylalcohol is de tussenliggende chemische stof B, afgeleid van de hydrogenering van benzaldehyde (chemische A), voordat bij de reactie tolueen ontstaat (chemische C), een andere veelgebruikte chemische stof maar van lagere waarde. Om benzylalcohol efficiënt te kunnen produceren, moet de vorming van tolueen worden onderdrukt.

Om de bruikbaardere benzylalcohol te maken, wordt de katalytische hydrogeneringsreactie momenteel vertraagd of niet volledig uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de reactie stopt bij B en zo min mogelijk tolueen vormt.

"Om deze tussenchemicaliën te maken, maak je over het algemeen de katalysator minder reactief en de algehele reactie langzamer, wat helemaal niet productief is", zei Lim. "Katalysatoren zijn bedoeld om dingen te versnellen, niet om ze te vertragen."

De onderzoekers demonstreerden hun platform in de katalytische vorming van benzylalcohol. Lim en het team ontdekten dat wanneer katalytische metalen nanodeeltjes verder uit elkaar op het substraat werden geplaatst, de reactie selectiever was ten opzichte van benzylalcohol, de tussenliggende chemische stof.

Toen de nanodeeltjes dichter bij elkaar zaten, verliep de reactie selectiever ten opzichte van tolueen, het eindproduct. Gegeven het feit dat de afstand tussen nanodeeltjes synthetisch kan worden aangepast met behulp van het bio-geïnspireerde katalysatorplatform, suggereert het onderzoek dat hetzelfde katalysatorplatform gemakkelijk kan worden aangepast voor een reeks tussen- en eindproductchemicaliën.

"Katalyse staat centraal bij de productie van een hele reeks uiterst belangrijke materialen die worden gebruikt in farmaceutische producten, consumentenproducten en bij de productie van veel producten die we allemaal in het dagelijks leven gebruiken", aldus Aizenberg.

“Het toevoegen van dit instrument ter verbetering van de selectiviteit aan het arsenaal van scheikundigen is uiterst belangrijk. Het zal een effectievere afstemming van katalytische processen en een zuiniger gebruik van de grondstoffen mogelijk maken, gepaard gaande met een vermindering van het energieverbruik en de afvalproductie. We hopen dat scheikundigen ons platform zullen gebruiken bij de verdere optimalisatie van nieuwe en bestaande katalytische processen."

Vervolgens zal het team hetzelfde platform gebruiken om te begrijpen hoe de grootte van nanodeeltjes de reactie op vaste afstanden tussen nanodeeltjes beïnvloedt.

Harvard's Office of Technology Development heeft het intellectuele eigendom van het laboratorium van professor Aizenberg beschermd, wat de onderliggende technologie van dit onderzoek is.

Het onderzoek is mede-auteur van Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi E. S. van der Hoeven en Michael Aizenberg.

Meer informatie: Kang Rui Garrick Lim et al, Nabijheid van nanodeeltjes regelt de selectiviteit bij benzaldehydehydrogenering, Natuurkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01104-1

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences