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La scoperta può diminuire l'impatto ambientale di fabbricazione chimica

I produttori chimici usano frequentemente i solventi tossici quali gli alcool ed il benzene per fare i prodotti come i prodotti farmaceutici e la plastica. I ricercatori stanno esaminando un fenomeno precedentemente trascurato e compreso male nelle reazioni chimiche usate per fare questi prodotti. Questa scoperta porta una nuova comprensione fondamentale della chimica catalitica e una pietra facente un passo alle applicazioni pratiche che potrebbero qualche giorno rendere chimico fabbricando meno dispendioso e più in condizioni ambientali il suono.

Lo studio piombo dal ricercatore David Flaherty, università del Urbana-Champagne dell'università dell'Illinois di ricercatore Matthew Neurock delle città gemellate, di Minnesota e di ricercatore Ayman Karim di tecnologia della Virginia è pubblicato nella scienza del giornale.

La combinazione i solventi e delle nanoparticelle del metallo accelera molte reazioni chimiche e le guide massimizzano i margini di guadagno e del rendimento per l'industria chimica. Tuttavia, molti solventi sono tossici e difficile disporre sicuro, i ricercatori hanno detto. Gli impianti idrici, anche, ma non è quasi efficienti o affidabili quanto i solventi organici. La ragione per la differenza era probabilmente la solubilità limitata di alcuni reattivi in acqua. Tuttavia, le irregolarità multiple nei dati sperimentali piombo il gruppo realizzare che le ragioni per queste differenze completamente non sono state capite.

Per capire meglio il trattamento, il gruppo ha eseguito gli esperimenti per analizzare la riduzione di ossigeno al perossido di idrogeno - un insieme facendo uso dell'acqua, un altro con metanolo ed altri con le miscele del metanolo e dell'acqua. Tutti gli esperimenti hanno usato le nanoparticelle del palladio.

Negli esperimenti con metanolo, abbiamo osservato la decomposizione spontanea del solvente che lascia un residuo organico, o della schiuma, sulla superficie delle nanoparticelle. In alcuni casi, il residuo scumlike aderisce alle nanoparticelle ed aumenta le velocità di reazione e la quantità di perossido di idrogeno formata invece di impedimento della reazione. Questa osservazione ci ha incitati a domandarsi come potrebbe aiutare.„

David Flaherty, il professor di assistenza tecnica chimica e biomolecolare, Urbana-Champagne dell'università dell'Illinois

Il gruppo ha trovato che il residuo, o mediatore redox di superficie, tenute checontengono le specie, compreso una componente chiave idrossimetilica. Si accumula sulla superficie delle nanoparticelle del palladio ed apre i nuovi processi di reazione chimica, i rapporti di studio.

“Formato una volta, il residuo si trasforma in in fase del ciclo catalitico ed è probabilmente responsabile di alcuni dei risparmi di temi differenti fra i solventi riferiti in questi ultimi 40 anni di lavoro su questa reazione,„ Flaherty ha detto. “Il nostro lavoro fornisce la prova ben fondata che questi mediatori redox della superficie formano nei solventi dell'alcool e che possono spiegare molti misteri passati per questa chimica.„

Lavorando con i tipi multipli di esperimenti e di simulazioni di calcolo, il gruppo ha imparato che questi mediatori redox efficacemente trasferiscono sia i protoni che gli elettroni ai reattivi, mentre le reazioni in acqua pura trasferiscono facilmente i protoni, ma non agli elettroni. Questi mediatori egualmente alterano le nanoparticelle di superficie in un modo che abbassa la barriera di energia da sormontare per il protone ed il trasferimento di elettroni, i rapporti di studio.

“Indichiamo che i solventi dell'alcool come pure gli additivi organici possono reagire ai mediatori di superficie diretti a metallo del modulo che agiscono molto allo stesso modo che che i cofattori enzimatici nei nostri organismi facciano nella catalisi delle reazioni di riduzione e dell'ossidazione,„ Neurock abbia detto.

Ulteriormente, questo lavoro può avere implicazioni per la diminuzione degli importi del solvente utilizzati e di residuo generato nell'industria chimica.

“La nostra ricerca suggerisce che per alcune situazioni, i produttori chimici potrebbero formare i mediatori redox di superficie aggiungendo le piccole quantità di additivo all'acqua pura invece di migliaia di pompaggio di galloni dei solventi organici tramite questi reattori,„ Flaherty ha detto.

L'energia e l'istituto di scienze biologiche con il programma dello EBI-Shell ed il National Science Foundation hanno supportato questa ricerca.

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.