En forskargrupp från Northwestern University har avslöjat en ny metod för att genomföra kemiska reaktioner - en som inte kräver direkt kontakt med en katalysator.

I typiska katalytiska reaktioner, Katalysatorn – ämnet som ökar hastigheten för en kemisk reaktion – och substratreaktanterna måste finnas i samma medium och i direkt kontakt med varandra för att åstadkomma en reaktion. Forskargruppens nya system demonstrerar en kemisk reaktion som produceras genom en mellanhand skapad av en separat kemisk reaktion. Fynden kan ha tillämpningar inom miljösanering och bränsleproduktion.

"Att förbättra vår förståelse av förhållandet katalysator-mellanreaktion kan avsevärt utöka möjligheterna för katalytiska reaktioner, sade Harold Kung, Walter P. Murphy professor i kemi- och biologisk teknik vid McCormick School of Engineering, som ledde forskningen. "Genom att lära sig att en kemisk reaktion kan fortgå utan direkt kontakt med en katalysator, vi öppnar dörren för att använda katalysatorer från jordnära grundämnen för att utföra reaktioner som de normalt inte skulle katalysera."

Studien, med titeln "Noncontact Catalysis:Initiation of Selective Ethylbenzene Oxidation by Au Cluster-Facilitated Cyclooctene Epoxidation, " publicerades 31 januari i tidskriften Vetenskapens framsteg . Mayfair Kung, en forskningsdocent i kemi- och biologisk teknik, var medförfattare på tidningen. Linda Broadbelt, Sarah Rebecca Roland professor i kemi- och biologisk teknik och biträdande dekan för forskning, bidrog också till studien.

Forskningen bygger på tidigare arbete där teamet undersökte den selektiva oxidationen av cyklookten – en typ av kolväte – med hjälp av guld (Au) som katalysator. Studien visade att reaktionen katalyserades av lösta guld nanokluster. Överraskad, forskarna ville undersöka hur väl guldklustren kunde katalysera selektiv oxidation av andra kolväten.

Med hjälp av en plattform som de utvecklade kallad Noncontact Catalysis System (NCCS), forskarna testade effektiviteten av en guldkatalysator mot etylbensen, en organisk förening som förekommer i tillverkningen av många plaster. Medan etylbensen inte genomgick någon reaktion i närvaro av guldklustren, teamet fann att när guldklustren reagerade med cyklooktenen, den resulterande molekylen gav den nödvändiga intermediären för att producera etylbensenoxidation.

"De två reaktionerna är helt oberoende av varandra, ", sade Kung. "Vi såg att guldnanoklustren och cyklooktenen var ineffektiva för att oxidera etylbensenen på egen hand. Direktkontakt fick inte reaktionen att fortsätta. Således, den mellanliggande reaktionen var nödvändig."

Genom att visa hur normalt ineffektiva katalysatorer kan göras effektiva i en reaktion genom en mellanhand, forskarna tror att det är möjligt att designa system med katalysatorer som är fysiskt separerade från ett reaktionsmedium som annars skulle skada katalysatorn. Detta nya tillvägagångssätt kan ge en effektiv lösning på miljösanering, som att rensa en förorenad flod, där vissa komponenter i vattnet kan vara giftiga för katalysatorn.

"Du kan använda ett membran för att separera katalysatorn från mediet, använd sedan katalysatorn för att skapa en mellanprodukt som kan passera genom membranet och bryta ned föroreningen på ett säkrare sätt, " sa Kung.

Arbetet öppnar också dörren till större frihet i industriell kemikalieproduktion. En förmåga att utföra kopplade parallella reaktioner utan begränsningarna av traditionell stökiometri - de strikta kvantitetsbaserade förhållandena mellan reaktionsprodukter - skulle kunna göra industriella kolvätesamoxidationsprocesser mer mångsidiga, effektiv, och kostnadseffektivt. Dessa processer är avgörande vid produktion av bensin och omvandling av naturgas till flytande bränsle och andra kemikalier.

Forskargruppens nästa steg är att fastställa guldets reaktivitet mot andra kolväten med olika bindningsstyrkor. De hoppas också få veta om liknande fenomen kan tillämpas på andra metaller, som silver eller koppar.

"Vi är inte riktigt där än, men när vi väl förstår sambandet mellan reaktiviteten hos guldkluster mot kolväten och bindningsstyrkor, vi kommer att kunna förutsäga och designa andra kemiska reaktionssystem, " sa Kung.