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A descoberta pode reduzir o impacto ambiental da fabricação química

Os fabricantes químicos usam freqüentemente solventes tóxicos tais como álcoois e benzeno para fazer produtos como fármacos e plásticos. Os pesquisadores estão examinando um fenômeno previamente negligenciado e entendido mal nas reacções químicas usadas para fazer estes produtos. Esta descoberta traz uma compreensão fundamental nova da química catalítica e uma pedra de piso às aplicações práticas que poderiam um dia fazer químico fabricando menos desperdiçador e mais ambiental o som.

O estudo conduzido pelo pesquisador David Flaherty do Urbana-Campo das Universidades de Illinois, universidade do pesquisador Matthew Neurock de Minnesota, de cidades geminadas e do pesquisador Ayman Karim da tecnologia de Virgínia é publicado na ciência do jornal.

Combinar solventes e nanoparticles do metal acelera muitas reacções químicas e as ajudas maximizam o rendimento e as margens de benefício para a indústria química. Contudo, muitos solventes são tóxicos e difícil dispr com segurança, os pesquisadores disseram. Os trabalhos de água, também, mas não são quase tão eficientes ou seguros quanto solventes orgânicos. A razão para a diferença era provavelmente a solubilidade limitada de alguns reagentes na água. Contudo, as irregularidades múltiplas em dados experimentais conduziram a equipe realizar que as razões para estas diferenças não estiveram compreendidas inteiramente.

Para compreender melhor o processo, a equipe executou experiências para analisar a redução do oxigênio à água oxigenada - uma água de utilização ajustada, outra com metanol, e outro com as misturas da água e do metanol. Todas as experiências usaram nanoparticles do paládio.

Nas experiências com metanol, nós observamos a decomposição espontânea do solvente que sae de um resíduo orgânico, ou da escumalha, na superfície dos nanoparticles. Em alguns casos, o resíduo scumlike adere-se aos nanoparticles e aumenta-se taxas de reacção e a quantidade de água oxigenada formada em vez de impedir a reacção. Esta observação fez-nos querer saber como poderia ajudar.”

David Flaherty, professor da engenharia química e biomolecular, Urbana-Campo das Universidades de Illinois

A equipe encontrou que o resíduo, ou o mediador de superfície dos redox, posses quecontêm as espécies, incluindo um componente-chave hydroxymethyl. Acumula na superfície dos nanoparticles do paládio e abre caminhos de reacção química novos, os relatórios do estudo.

“Formado uma vez, o resíduo transforma-se parte do ciclo catalítico e é-se provavelmente responsável para algumas das eficiências diferentes entre os solventes relatados sobre os 40 anos passados de trabalho nesta reacção,” Flaherty disse. “Nosso trabalho fornece o forte evidência que estes surgem mediadores dos redox formam em solventes do álcool e que podem explicar muitos mistérios passados para esta química.”

Trabalhando com tipos múltiplos de experiências e de simulações computacionais, a equipe aprendeu que estes mediadores dos redox transferem eficazmente protão e elétrons aos reagentes, visto que as reacções na água pura transferem protão facilmente, mas não aos elétrons. Estes mediadores igualmente alteram a superfície dos nanoparticles em uma maneira que abaixe a barreira de energia a ser superada para transferência do protão e do elétron, os relatórios do estudo.

“Nós mostramos que os solventes do álcool assim como os aditivos orgânicos podem reagir aos mediadores da superfície do metal-limite do formulário que actuam muito da mesma forma que que os cofactor enzimáticos em nossos corpos fazem em catalisar reacções da oxidação e da redução,” Neurock disse.

Adicionalmente, este trabalho pode ter implicações para reduzir as quantidades de solvente usadas e de waste gerado na indústria química.

“Nossa pesquisa sugere que para algumas situações, os produtores químicos poderiam formar os mediadores de superfície dos redox adicionando pequenas quantidades de um aditivo à água pura em vez dos milhares de bombeamento de galões de solventes orgânicos através destes reactores,” Flaherty disse.

A energia e o instituto das ciências biológicas com EBI-SHELL programam e o National Science Foundation apoiou esta pesquisa.

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.