Istraživači sa Harvardske škole za inženjerstvo i primenjene nauke (SEAS), Odeljenja za hemiju i hemijsku biologiju Harvarda i Univerziteta Utreht izvestili su o ranije nedostižnom načinu poboljšanja selektivnosti katalitičkih reakcija, dodajući novu metodu povećanja efikasnost katalizatora za potencijalno širok spektar primena u različitim industrijama, uključujući farmaceutske proizvode, kozmetiku i još mnogo toga.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Nature Catalisis.
Hemijska industrija se oslanja na katalizatore za preko 90% svojih procesa i skoro svi ovi katalizatori se sastoje od nanočestica dispergovanih na vrhu supstrata. Istraživači su dugo sumnjali da veličina pojedinačnih nanočestica i rastojanje između njih igraju važnu ulogu u brzini i proizvodima proizvedenim u katalitičkoj reakciji, ali pošto su nanočestice sklone da se kreću i aglomeriraju tokom katalize, bilo je teško proučavati tačno kako.
Tokom protekle decenije, Džoana Ajzenberg, profesorka nauke o materijalima Ejmi Smit Berilson i profesorka hemije i hemijske biologije, i njena laboratorija su crpeli inspiraciju iz prirode za izgradnju visoko uređenih, poroznih materijala za širok spektar katalitičkih reakcija.
Inspirisani strukturom krila leptira, istraživači su dizajnirali novu katalizatorsku platformu koja delimično ugrađuje nanočestice u supstrat, zadržavajući ih tako da se ne pomeraju tokom katalize, dok ostatak površine nanočestica ostavlja izloženim, omogućavajući im da rade. katalitičke reakcije efikasno i bez aglomeracije.
Istraživači su otkrili da je rastojanje između čestica imalo ogroman uticaj na selektivnost reakcije.
„Mnoge industrijski relevantne hemijske reakcije prate kaskadu u kojoj se hemikalija A pretvara u hemikaliju B koja se zatim može pretvoriti u hemikaliju C i tako dalje“, rekao je Kang Rui Garrick Lim, diplomirani student u Aizenberg laboratoriji i prvi autor studije. .
„U nekim katalitičkim procesima, intermedijerna hemikalija, hemikalija B, je cilj, dok je u drugim krajnji proizvod, hemikalija C. Selektivnost katalizatora se odnosi na to da li favorizuje proizvodnju hemikalije B ili hemikalije C“.
Dobar primer za to je proizvodnja benzil alkohola, hemikalije koja se koristi u svemu, od školjki, boja i proizvodnje kože do intravenoznih lekova, kozmetike i lokalnih lekova.
Benzil alkohol je intermedijerna hemikalija B, izvedena hidrogenizacijom benzaldehida (hemikalija A), pre nego što reakcija stvara toluen (hemikalija C), još jedna uobičajena hemikalija, ali niže vrednosti. Da bi se efikasno proizveo benzil alkohol, potrebno je suzbiti stvaranje toluena.
Trenutno, da bi se napravio korisniji benzil alkohol, reakcija katalitičke hidrogenacije je usporena, ili se ne odvija do kraja, kako bi se osiguralo da će se reakcija zaustaviti na B i formirati što je manje moguće toluena.
„Generalno, da biste napravili ove intermedijarne hemikalije, činite katalizator manje reaktivnim i ukupnu reakciju sporijom, što uopšte nije produktivno“, rekao je Lim. „Katalizatori imaju za cilj da ubrzaju stvari, a ne da ih usporavaju.
Istraživači su demonstrirali svoju platformu u katalitičkom formiranju benzil alkohola. Lim i tim su otkrili da kada su katalitičke metalne nanočestice postavljene dalje na podlogu, reakcija je bila selektivnija prema benzil alkoholu, intermedijarnoj hemikaliji.
Kada su nanočestice bile bliže jedna drugoj, reakcija je bila selektivnija prema toluenu, krajnjem proizvodu. S obzirom da se rastojanje između nanočestica može sintetički podesiti korišćenjem bioinspirisane katalizatorske platforme, istraživanje sugeriše da se ista platforma katalizatora može lako prilagoditi za niz hemikalija međuproizvoda ili krajnjeg proizvoda.
„Kataliza je centralna za proizvodnju čitavog niza izuzetno važnih materijala koji se koriste u farmaceutskim proizvodima, proizvodima široke potrošnje i u proizvodnji mnogih proizvoda koje svi koristimo u svakodnevnom životu“, rekao je Aizenberg.
„Dodavanje ovog alata za poboljšanje selektivnosti u hemičarski arsenal je izuzetno važno. To će omogućiti efikasnije podešavanje katalitičkih procesa, ekonomičniju upotrebu sirovina uz smanjenje potrošnje energije i stvaranja otpada. Nadamo se da će hemičari koristiti našu platformu u daljoj optimizaciji novih i postojećih katalitičkih procesa“.
Zatim će tim koristiti istu platformu da razume kako veličina nanočestica utiče na reakciju na fiksnim rastojanjima između nanočestica.
Harvardska kancelarija za tehnološki razvoj zaštitila je intelektualnu svojinu iz laboratorije profesora Aizenberga, koja je osnovna tehnologija ovog istraživanja.
Koautori istraživanja su Selina K. Kaiser, Haichao Vu, Sadhia Garg, Marta Perkes Perich, Jessi E.S. van der Hoeven i Michael Aizenberg.
