Kemiska tillverkare använder ofta giftiga lösningsmedel som alkoholer och bensen för att tillverka produkter som läkemedel och plast. Forskare undersöker ett tidigare förbises och missförstått fenomen i de kemiska reaktioner som används för att göra dessa produkter. Denna upptäckt ger en ny grundläggande förståelse för katalytisk kemi och en språngbräda till praktiska tillämpningar som en dag kan göra kemisk tillverkning mindre slösaktig och mer miljövänlig.

Studien leds av University of Illinois Urbana-Champaign-forskaren David Flaherty, University of Minnesota, Twin Cities -forskaren Matthew Neurock och Virginia Tech -forskaren Ayman Karim publiceras i tidskriften Vetenskap .

Kombination av lösningsmedel och metallnanopartiklar påskyndar många kemiska reaktioner och hjälper till att maximera avkastning och vinstmarginaler för den kemiska industrin. Dock, många lösningsmedel är giftiga och svåra att kassera, sa forskarna. Vatten fungerar, för, men det är inte alls lika effektivt eller pålitligt som organiska lösningsmedel. Orsaken till skillnaden ansågs vara den begränsade lösligheten för vissa reaktanter i vatten. Dock, flera oegentligheter i experimentella data har fått laget att inse orsakerna till dessa skillnader inte helt förstått.

För att bättre förstå processen, laget körde experiment för att analysera minskningen av syre till väteperoxid - en uppsättning med vatten, en annan med metanol, och andra med vatten- och metanolblandningar. Alla experiment använde palladium -nanopartiklar.

"I experiment med metanol, vi observerade spontan sönderdelning av lösningsmedlet som lämnar en organisk rest, eller avskum, på ytan av nanopartiklarna, sa Flaherty, professor i kemisk och biomolekylär teknik vid Illinois. "I vissa fall, den avskumrande resten fastnar vid nanopartiklarna och ökar reaktionshastigheten och mängden väteperoxid som bildas istället för att hämma reaktionen. Denna observation fick oss att undra hur det kan hjälpa. "

Teamet fann att resterna, eller ytredoxförmedlare, håller syrehaltiga arter, inklusive en nyckelkomponent hydroximetyl. Det ackumuleras på palladiumnanopartiklarnas yta och öppnar nya kemiska reaktionsvägar, undersökningsrapporterna.

"När det väl bildades, återstoden blir en del av den katalytiska cykeln och är sannolikt ansvarig för några av de olika effektiviteterna bland lösningsmedel som rapporterats under de senaste 40 åren av arbetet med denna reaktion, "Flaherty sa." Vårt arbete ger starka bevis på att dessa ytredoxmediatorer bildas i alkohollösningsmedel och att de kan förklara många tidigare mysterier för denna kemi. "

Genom att arbeta med flera typer av experiment och beräkningssimuleringar, teamet fick veta att dessa redoxmediatorer effektivt överför både protoner och elektroner till reaktanter, reaktioner i rent vatten överför protoner lätt, men inte elektroner. Dessa mediatorer förändrar också nanopartiklarnas yta på ett sätt som sänker energibarriären som ska övervinnas för proton- och elektronöverföring, undersökningsrapporterna.

"Vi visar att alkohollösningsmedel såväl som organiska tillsatser kan reagera för att bilda metallbundna ytmediatorer som verkar mycket på samma sätt som de enzymatiska kofaktorerna i våra kroppar gör för att katalysera oxidations- och reduktionsreaktioner, "Sa Neurock.

Dessutom, detta arbete kan ha konsekvenser för att minska mängden lösningsmedel som används och avfall som genereras i den kemiska industrin.

"Vår forskning tyder på att för vissa situationer, kemiska tillverkare kan bilda ytredoxmediatorer genom att tillsätta små mängder tillsats till rent vatten istället för att pumpa tusentals liter organiska lösningsmedel genom dessa reaktorer, Sa Flaherty.