Исследовательская группа Северо-Западного университета представила новый подход к проведению химических реакций, который не требует прямого контакта с катализатором.
В типичных каталитических реакциях катализатор - вещество, которое увеличивает скорость химической реакции - и реагенты-субстраты должны присутствовать в одной и той же среде и находиться в непосредственном контакте друг с другом, чтобы вызвать реакцию. Новая система исследовательской группы демонстрирует химическую реакцию, происходящую через посредника, созданного отдельной химической реакцией. Результаты могут найти применение в восстановлении окружающей среды и производстве топлива.
«Улучшение нашего понимания взаимоотношений катализатор-посредник-реакция может значительно расширить возможности каталитических реакций», - сказал Гарольд Кунг, профессор химической и биологической инженерии имени Уолтера П. Мерфи в Инженерной школе Маккормика, возглавлявший исследование. «Узнав, что химическая реакция может протекать без прямого контакта с катализатором, мы открываем дверь для использования катализаторов из элементов, распространенных в земле, для проведения реакций, которые они обычно не катализируют».
Исследование под названием «Бесконтактный катализ: инициирование селективного окисления этилбензола путем эпоксидирования циклооктена с помощью кластера Au» было опубликовано 31 января в журнале Science Advances. Мейфейр Кунг, доцент кафедры химической и биологической инженерии, был соавтором статьи. Линда Бродбелт, профессор химической и биологической инженерии Сары Ребекки Роланд и заместитель декана по исследованиям, также внесла свой вклад в исследование.
Исследование основано на предыдущей работе, в которой команда исследовала селективное окисление циклооктена - типа углеводорода - с использованием золота (Au) в качестве катализатора. Исследование показало, что реакция катализируется растворенными нанокластерами золота. Удивленные, исследователи решили выяснить, насколько хорошо кластеры золота могут катализировать селективное окисление других углеводородов.
Используя разработанную ими платформу под названием Система бесконтактного катализа (NCCS), исследователи проверили эффективность золотого катализатора в отношении этилбензола, органического соединения, используемого в производстве многих пластмасс. Хотя этилбензол не подвергался какой-либо реакции в присутствии кластеров золота, команда обнаружила, что когда кластеры золота реагируют с циклооктеном, полученная молекула является необходимым посредником для окисления этилбензола.
«Эти две реакции полностью независимы друг от друга», - сказал Кунг. «Мы видели, что нанокластеры золота и циклооктен сами по себе были неэффективны для окисления этилбензола. Прямой контакт не вызывал протекания реакции. Таким образом, промежуточная реакция была необходима».
Демонстрируя, как обычно неэффективные катализаторы можно сделать эффективными в реакции через посредника, исследователи полагают, что можно разработать системы, использующие катализаторы, которые физически отделены от реакционной среды, что в противном случае нанесло бы вред катализатору. Этот новый подход может стать эффективным обходным путем при восстановлении окружающей среды, например при очистке загрязненной реки, когда некоторые компоненты воды могут быть ядовитыми для катализатора.
«Вы можете использовать мембрану для отделения катализатора от среды, а затем использовать катализатор для создания посредника, который может проходить через мембрану и более безопасно разлагать загрязняющие вещества», - сказал Кунг.
Работа также открывает двери для большей свободы в промышленном химическом производстве. Возможность проведения связанных параллельных реакций без ограничений традиционной стехиометрии - строгих количественных соотношений между продуктами реакции - может сделать промышленные процессы совместного окисления углеводородов более универсальными, эффективными и экономичными. Эти процессы жизненно важны для производства бензина и преобразования природного газа в жидкое топливо и другие химические вещества.
Следующим шагом исследовательской группы является определение реакционной способности золота по отношению к другим углеводородам с различной силой связи. Они также надеются узнать, применимо ли подобное явление к другим металлам, таким как серебро или медь.
«Мы еще не совсем там, но как только мы поймем взаимосвязь между реакционной способностью золотых кластеров по отношению к углеводородам и силой связи, мы сможем прогнозировать и проектировать другие системы химических реакций», - сказал Кунг.
Работа была поддержана Управлением фундаментальных энергетических наук Управления науки Министерства энергетики США (номер гранта DOE DE-FG02-03-ER15457).