De chemische industrie produceert niet alleen waardevolle vitamines, geneesmiddelen, smaakstoffen en pesticiden, maar vaak een grote hoeveelheid afval, te. Dit geldt met name voor de farmaceutische en fijnchemische productie, waar het volume van het gewenste product slechts een fractie kan zijn van het volume aan afval en onverkoopbare bijproducten van synthese.

Een reden hiervoor is dat veel chemische reacties gebruik maken van katalysatoren in opgeloste vorm, als Javier Pérez-Ramírez, Hoogleraar Katalyse Engineering, zegt. Katalysatoren zijn stoffen die een chemische reactie versnellen. In het geval van opgeloste katalysatoren, het kost vaak enorm veel moeite om ze te scheiden van het oplosmiddel en van de reactieproducten voor hergebruik. Katalysatoren in vaste vorm vermijden dit probleem helemaal.

Pérez-Ramírez en zijn groep hebben nu samengewerkt met andere Europese wetenschappers en een industriële partner om zo'n solide katalysator te ontwikkelen voor een grote chemische reactie, zoals de onderzoekers in het tijdschrift melden Natuur Nanotechnologie . Hun katalysator is een moleculair rooster bestaande uit koolstof- en stikstofatomen (grafietkoolstofnitride) met holtes van atomaire afmetingen waarin de onderzoekers palladiumatomen plaatsten.

Efficiënte katalysator voor een Nobelprijswinnende reactie

Door kleine deeltjes van dit materiaal palladium-koolstof-stikstof te maken, de wetenschappers konden aantonen dat het de zogenaamde Suzuki-reactie zeer efficiënt katalyseert. "In de chemie, het vormen van een binding tussen twee koolstofatomen wordt vaak gedaan met behulp van de Suzuki-reactie, " zegt Sharon Mitchell, een wetenschapper in het laboratorium van Pérez-Ramírez. Het was deze reactie die de Japanse wetenschapper Akira Suzuki en twee collega's de Nobelprijs voor Scheikunde 2010 bezorgde.

Zo ver, de werkwijze op commerciële schaal heeft op grote schaal oplosbare palladiumkatalysatoren gebruikt. Eerdere pogingen om de oplosbare katalysator aan een vast lichaam te hechten, resulteerden altijd in relatief onstabiele en inefficiënte katalysatoren.

Aanzienlijk minder afval

De nieuwe palladiumkatalysator van de ETH-onderzoekers is veel stabieler. Om die reden, en omdat het niet oplost in de reactievloeistof, het kan over een veel langere periode worden gebruikt. Bovendien, de katalysator is veel kosteneffectiever en ongeveer twintig keer efficiënter dan de katalysatoren die tegenwoordig worden gebruikt.

"Dat betekent dat de nieuwe katalysator niet alleen de kosten voor het synthetiseren van fijnchemicaliën verlaagt, het vermindert ook de consumptie van palladium en vermindert de hoeveelheid afval, Pérez-Ramírez zegt. De katalysator is misschien binnenkort klaar voor gebruik in de industrie:de wetenschappers beweren dat het gemakkelijk moet zijn om de productie en het gebruik van de katalysator vanuit het laboratorium op te schalen.

Zoals de onderzoekers aangeven, het gebruik van grafietkoolstofnitride als vaste katalysator is niet beperkt tot de Suzuki-reactie. Het moet ook mogelijk zijn om het rooster te vullen met andere atomen van metalen dan palladium om andere syntheses te katalyseren. De ETH-wetenschappers zullen deze mogelijkheden in toekomstig onderzoek verkennen. Ze zijn ook van plan een spin-off bedrijf op te richten om deze nieuwe familie van katalysatoren op de markt te brengen.