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La découverte peut réduire l'impact sur l'environnement de la fabrication chimique

Les constructeurs chimiques emploient fréquemment les solvants toxiques tels que les alcools et le benzène pour effectuer des produits comme des pharmaceutiques et des plastiques. Les chercheurs examinent un phénomène précédemment donné sur et mal compris dans les réactions chimiques employées pour effectuer ces produits. Cette découverte porte une compréhension principale neuve de chimie catalytique et une pierre de progression aux applications pratiques qui pourraient un jour rendre chimique fabriquant moins inutile et plus ambiant le son.

L'étude aboutie par le chercheur David Flaherty, université d'Urbana-Champagne d'Université de l'Illinois de chercheur Matthew Neurock de Minnesota, de villes jumelles et de chercheur Ayman Karim de tech de la Virginie est publiée en la Science de tourillon.

La combinaison des solvants et des nanoparticles en métal accélère beaucoup de réactions chimiques et les aides maximisent la puissance et les marges bénéficiaires pour l'industrie chimique. Cependant, beaucoup de solvants sont toxiques et difficile à disposer en toute sécurité, les chercheurs ont dit. Les usines hydrauliques, aussi, mais elle n'est pas presque aussi efficace ou fiable que les solvants organiques. La raison de la différence était vraisemblablement la solubilité limitée de quelques réactifs dans l'eau. Cependant, les irrégularités multiples dans les données expérimentales ont abouti l'équipe à réaliser que les raisons de ces différences n'ont pas été entièrement comprises.

Pour comprendre mieux le procédé, l'équipe a fait fonctionner des expériences pour analyser la réduction de l'oxygène au peroxyde de hydrogène - un jeu utilisant l'eau, un un autre avec du méthylène, et d'autres avec des mélanges de l'eau et de méthylène. Toutes les expériences ont employé des nanoparticles de palladium.

Dans les expériences avec du méthylène, nous avons observé la décomposition spontanée du solvant qui laisse un résidu organique, ou de l'écume, sur la surface des nanoparticles. Dans certains cas, le résidu scumlike s'attache aux nanoparticles et augmente des régimes de réaction et la quantité de peroxyde de hydrogène formée au lieu d'entraver la réaction. Cette observation nous a incités à nous demander comment elle pourrait aider. »

David Flaherty, professeur du bureau d'études chimique et biomoléculaire, Urbana-Champagne d'Université de l'Illinois

L'équipe a constaté que le résidu, ou le médiateur redox extérieur, prises oxygène-contenant des substances, y compris un élément clé hydroxyméthylique. Il s'accumule sur la surface des nanoparticles de palladium et ouvre des voies neuves de réaction chimique, les états d'étude.

« Une fois formé, le résidu devient une partie du cycle catalytique et est vraisemblablement responsable de certains des différents rendements parmi des solvants rapportés au cours des 40 dernières années du travail sur cette réaction, » Flaherty a dit. « Notre travail fournit la preuve irréfutable que ceux-ci les médiateurs redox de surface forment dans des solvants d'alcool et qu'elles peuvent expliquer beaucoup de mystères antérieurs pour cette chimie. »

En fonctionnant avec les types multiples des expériences et de simulations de calcul, l'équipe a appris que ces médiateurs redox transfèrent effectivement des protons et des électrons aux réactifs, alors que les réactions dans l'eau pure transfèrent des protons facilement, mais pas aux électrons. Ces médiateurs modifient également la surface des nanoparticles d'une manière dont abaisse le barrage d'énergie à surmonter pour le transfert de proton et d'électron, les états d'étude.

« Nous prouvons que les solvants d'alcool ainsi que les additifs organiques peuvent réagir aux médiateurs extérieurs liés par métal de forme qui agissent beaucoup de la même manière que que les cofacteurs enzymatiques dans nos fuselages font en catalysant des réactions d'oxydation et de réduction, » Neurock a dit.

Supplémentaire, ce travail peut avoir des implications pour réduire les quantités de solvant utilisées et de rebut produit dans l'industrie chimique.

« Notre recherche propose que pour quelques situations, les producteurs chimiques pourraient former les médiateurs redox extérieurs en ajoutant des petites quantités d'un additif à l'eau pure au lieu des milliers de pompage de gallons de solvants organiques par ces réacteurs, » Flaherty a dit.

L'énergie et l'institut de biosciences par EBI-SHELL programment et le National Science Foundation a supporté cette recherche.

Source:
Journal reference:

Adams, J.S., et al. (2021) Solvent molecules form surface redox mediators in situ and cocatalyze O2 reduction on Pd. Science. doi.org/10.1126/science.abc1339.