Een eenvoudige techniek die kleine hoeveelheden energie gebruikt, zou de efficiëntie van enkele belangrijke chemische verwerkingsreacties met wel een factor 100.000 kunnen verhogen, rapporteren MIT-onderzoekers. Deze reacties vormen de kern van petrochemische verwerking, farmaceutische productie en vele andere industriële chemische processen.

De verrassende bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Science , in een paper van MIT-student Karl Westendorff, professoren Yogesh Surendranath en Yuriy Roman-Leshkov, en twee anderen.

"De resultaten zijn echt opvallend", zegt Surendranath, hoogleraar scheikunde en chemische technologie. Snelheidsverhogingen van die omvang zijn eerder waargenomen, maar in een andere klasse van katalytische reacties, bekend als redox-halfreacties, waarbij de winst of het verlies van een elektron betrokken is. De dramatisch verhoogde percentages die in het nieuwe onderzoek worden gerapporteerd "zijn nog nooit waargenomen bij reacties waarbij geen sprake is van oxidatie of reductie", zegt hij.

De door het MIT-team bestudeerde niet-redox-chemische reacties worden gekatalyseerd door zuren. "Als je een eerstejaars scheikundestudent bent, is waarschijnlijk het eerste type katalysator dat je leert een zure katalysator", zegt Surendranath. Er zijn vele honderden van dergelijke zuurgekatalyseerde reacties, "en ze zijn superbelangrijk in alles, van het verwerken van petrochemische grondstoffen tot het maken van basischemicaliën tot het uitvoeren van transformaties in farmaceutische producten. De lijst gaat maar door."

"Deze reacties zijn van cruciaal belang voor het maken van veel producten die we dagelijks gebruiken", zegt Roman-Leshkov, hoogleraar chemische technologie en scheikunde.

Maar de mensen die redox-halfreacties bestuderen, ook wel elektrochemische reacties genoemd, maken deel uit van een geheel andere onderzoeksgemeenschap dan degenen die niet-redox-chemische reacties bestuderen, bekend als thermochemische reacties. Als gevolg hiervan was de techniek die in het nieuwe onderzoek werd gebruikt, waarbij een kleine externe spanning wordt toegepast, welbekend in de elektrochemische onderzoeksgemeenschap, maar niet systematisch toegepast op door zuur gekatalyseerde thermochemische reacties.

Mensen die zich bezighouden met thermochemische katalyse, zegt Surendranath, 'houden doorgaans geen rekening met' de rol van het elektrochemische potentieel aan het katalysatoroppervlak ', en ze hebben vaak geen goede manieren om dit te meten. En wat deze studie ons vertelt is dat relatief kleine veranderingen, in de orde van een paar honderd millivolt, kunnen enorme gevolgen hebben:veranderingen in de orde van grootte van de snelheden van gekatalyseerde reacties op die oppervlakken."

"Deze over het hoofd geziene parameter van oppervlaktepotentieel is iets waar we veel aandacht aan moeten besteden, omdat het een heel, heel groot effect kan hebben", zegt hij. "Het verandert het paradigma van hoe we over katalyse denken."

Chemici denken traditioneel aan oppervlaktekatalyse op basis van de chemische bindingsenergie van moleculen aan actieve plekken op het oppervlak, wat de hoeveelheid energie beïnvloedt die nodig is voor de reactie, zegt hij. Maar de nieuwe bevindingen tonen aan dat de elektrostatische omgeving "even belangrijk is bij het bepalen van de reactiesnelheid."

Het team heeft al een voorlopige patentaanvraag ingediend voor delen van het proces en werkt aan manieren om de bevindingen toe te passen op specifieke chemische processen. Westendorff zegt dat hun bevindingen suggereren dat "we verschillende soorten reactoren moeten ontwerpen en ontwikkelen om van dit soort strategie te profiteren. En we werken momenteel aan het opschalen van deze systemen."

Terwijl hun experimenten tot nu toe werden uitgevoerd met een tweedimensionale vlakke elektrode, worden de meeste industriële reacties uitgevoerd in driedimensionale vaten gevuld met poeders. Via deze poeders worden katalysatoren verdeeld, waardoor er veel meer oppervlak ontstaat waarop de reacties kunnen plaatsvinden.

"We bekijken hoe katalyse momenteel in de industrie wordt uitgevoerd en hoe we systemen kunnen ontwerpen die profiteren van de reeds bestaande infrastructuur", zegt Westendorff.

Surendranath voegt eraan toe dat deze nieuwe bevindingen "verleidelijke mogelijkheden bieden:is dit een algemener fenomeen? Speelt het elektrochemische potentieel ook een sleutelrol in andere reactieklassen? In onze geest verandert dit de manier waarop we denken over het ontwerpen van katalysatoren en het bevorderen van hun reactiviteit."

Roman-Leshkov voegt eraan toe dat “traditioneel mensen die in de thermochemische katalyse werken deze reacties helemaal niet zouden associëren met elektrochemische processen. Het introduceren van dit perspectief in de gemeenschap zal echter opnieuw definiëren hoe we elektrochemische kenmerken kunnen integreren in thermochemische katalyse. Het zal een grote impact hebben. over de gemeenschap in het algemeen."

Hoewel er doorgaans weinig interactie is geweest tussen onderzoekers op het gebied van elektrochemische en thermochemische katalyse, zegt Surendranath:"Deze studie laat de gemeenschap zien dat de grens tussen de twee in werkelijkheid vervaagt, en dat er een enorme kans bestaat op het gebied van kruisbestuiving tussen deze twee gemeenschappen. ."

Westerndorff voegt eraan toe dat om het te laten werken, "je een systeem moet ontwerpen dat voor beide gemeenschappen behoorlijk onconventioneel is om dit effect te isoleren." En dat verklaart mede waarom zo'n dramatisch effect nog nooit eerder was waargenomen. Hij merkt op dat zelfs de redacteur van hun krant hen vroeg waarom dit effect niet eerder was gerapporteerd.

Het antwoord heeft te maken met “hoe verschillend deze twee ideologieën daarvoor waren”, zegt hij. "Het is niet alleen zo dat mensen niet echt met elkaar praten. Er zijn diepgaande methodologische verschillen tussen de manier waarop de twee gemeenschappen experimenten uitvoeren. En dit werk is volgens ons echt een grote stap in de richting van het overbruggen van de twee."

In de praktijk zouden de bevindingen kunnen leiden tot een veel efficiëntere productie van een grote verscheidenheid aan chemische materialen, zegt het team. "Je krijgt ordes van grootte in snelheid met heel weinig energie-input", zegt Surendranath. "Dat is het geweldige eraan."

De bevindingen, zegt hij, "bouwen een meer holistisch beeld op van hoe katalytische reacties op grensvlakken werken, ongeacht of je ze in de categorie van elektrochemische reacties of thermochemische reacties gaat onderbrengen." Hij voegt eraan toe dat "het zelden voorkomt dat je iets vindt dat ons fundamentele begrip van oppervlaktekatalytische reacties in het algemeen echt zou kunnen herzien. We zijn erg enthousiast."

Meer informatie: Karl S. Westendorff et al., Elektrisch aangedreven protonenoverdracht bevordert de Brønsted-zuurkatalyse met ordes van grootte, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adk4902. www.science.org/doi/10.1126/science.adk4902

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Massachusetts Institute of Technology

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.