Hoeveel nanometer moeten nanodeeltjes van de katalysator zijn om het reactieverloop te optimaliseren? Onderzoekers zoeken het antwoord meestal door moeizaam, repetitieve testen. Aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen in Warschau, een kwalitatief nieuwe techniek werd ontwikkeld om het proces van dergelijke optimalisatie in microfluïdische systemen te verbeteren. De grootte van de katalysator-nanodeeltjes kan nu interactief worden gewijzigd, tijdens een continue stroom door het katalysatorbed.

De prestatie van metaaldragerkatalysatoren hangt vaak af van de grootte van metalen nanodeeltjes. Gebruikelijk, hun grootte wordt bepaald over vele opeenvolgende, moeizame testen. De methode is inflexibel:als de reacties eenmaal zijn begonnen, met de katalysator kan niets worden gedaan. Aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) in Warschau, de groep van Dr. Jacinto Sa ontwikkelde een nieuwe techniek om chemische reacties te optimaliseren tijdens de continue microfluïdische stroom door het katalysatorbed, en dus letterlijk "on the fly". Dit werd bereikt door interactieve controle van de grootte van de nanodeeltjes van de katalysator. Door zijn eenvoud en efficiëntie, deze innovatieve techniek moet binnenkort worden gebruikt in het onderzoek naar de nieuwe katalysatoren voor de farmaceutische en parfumindustrie, onder andere.

“Stroomkatalyse wordt steeds populairder omdat het leidt tot intensivering van voor de industrie belangrijke processen. Onze techniek is de volgende stap in deze richting:we verminderen de tijd die nodig is om de grootte van katalysatornanodeeltjes te bepalen. de chemische reacties snel optimaliseren en zelfs interactief van koers veranderen Een belangrijk argument hierbij is ook het feit dat het hele proces binnen een klein apparaatje wordt uitgevoerd, zodat we de kosten van extra apparatuur verlagen, " zegt dr. Sa.

Wetenschappers van de IPC PAS demonstreerden hun prestatie met een systeem op basis van een commercieel verkrijgbare flow-microreactor uitgerust met een vervangbare cartridge met een geschikt ontworpen metaalkatalysator. Door elektrolyse van water, de geselecteerde microreactor zou waterstof kunnen leveren, noodzakelijk voor de hydrogenering van chemische verbindingen in de stromende vloeistof, naar het katalysatorbed. Het reactiemedium was een oplossing van citral, een organische aldehydeverbinding met een citroengeur.

Het experiment gebruikte nikkelkatalysator NiTSNH ₂ in de vorm van een fijn zwart poeder, die eerder werd ontwikkeld op de IPC PAS. Het bestaat uit korrels van polymeerhars bedekt met nanodeeltjes van nikkel. De korrelgrootte is ca. 130 micrometer en de nanodeeltjes van de katalysator zijn aanvankelijk drie tot vier nanometer.

"De kern van onze prestatie is om te laten zien hoe de morfologie van katalysator-nanodeeltjes in een volgorde met een chemische reactie kan worden gewijzigd. Na elke verandering in de grootte van de nanodeeltjes, we krijgen onmiddellijk informatie over het effect van deze modificatie op de katalysatoractiviteit. Daarom, het is gemakkelijk om te beoordelen welke nanodeeltjes optimaal zijn voor een bepaalde chemische reactie, ", legt promovendus Damian Gizinski (IPC PAS) uit.

In het systeem beschreven in het journaal ChemCatChem , de onderzoekers verhoogden de grootte van de nanodeeltjes van de katalysator tot vijf, negen en 12 nm op een gecontroleerde manier. Het groei-effect werd bereikt door het katalysatorbed te spoelen met een alcoholoplossing die nikkelionen bevat. Binnen het bed, ze werden afgezet op de bestaande nanodeeltjes en verkleind onder invloed van waterstof. De uiteindelijke grootte van de nanodeeltjes hangt hier af van de blootstellingstijd aan de oplossing met Ni ²⁺ ionen.

In de reactie met citral, de beste katalytische prestaties werden bereikt met nanodeeltjes van 9 nm. De onderzoekers merkten ook op dat tot 9 nm, de groei van nanodeeltjes bevorderde de omleiding van de reactie naar de productie van citronell, terwijl boven deze waarde de route naar de citronellol de voorkeur had (verschillen waren het gevolg van het feit dat kleinere nanodeeltjes de voorkeur gaven aan selectieve hydrogenering van onverzadigde binding C=C, terwijl grotere zowel de binding C=C als de carbonylbinding C=O activeerden). Deze twee verbindingen hebben enigszins verschillende eigenschappen:citronellal wordt gebruikt om insecten af ​​te weren, vooral muggen, en als een antischimmelmiddel; citronellol stoot niet alleen insecten af, maar trekt ook mijten aan, het wordt ook gebruikt om parfums te produceren.

Voor mogelijke toepassingen van de nieuwe techniek, het is belangrijk dat na de wijziging, de katalysatoren waren ten minste vijf uur stabiel in een continue stroom van de reactieoplossing, zowel wat betreft activiteit als selectiviteit.