MIT-kemister har designat en ny typ av fotoredoxkatalysator som kan göra det lättare att införliva ljusdrivna reaktioner i tillverkningsprocesser med kontinuerligt flöde. Polymerkatalysatorerna skulle kunna användas för att belägga rör och utföra kemiska omvandlingar på reaktanter när de strömmar genom röret, som föreställts i detta digitala konstverk. Kredit:Richard Liu
Kemiska reaktioner som drivs av ljus erbjuder ett kraftfullt verktyg för kemister som designar nya sätt att tillverka läkemedel och andra användbara föreningar. Att utnyttja denna ljusenergi kräver fotoredoxkatalysatorer, som kan absorbera ljus och överföra energin till en kemisk reaktion.
MIT-kemister har nu designat en ny typ av fotoredoxkatalysator som kan göra det lättare att införliva ljusdrivna reaktioner i tillverkningsprocesser. Till skillnad från de flesta befintliga fotoredoxkatalysatorer är den nya klassen av material olöslig, så den kan användas om och om igen. Sådana katalysatorer skulle kunna användas för att belägga rör och utföra kemiska omvandlingar på reaktanter när de strömmar genom röret.
"Att kunna återvinna katalysatorn är en av de största utmaningarna att övervinna när det gäller att kunna använda fotoredoxkatalys i tillverkningen. Vi hoppas att vi genom att kunna göra flödeskemi med en immobiliserad katalysator kan erbjuda ett nytt sätt att göra fotoredoxkatalys i större skala", säger Richard Liu, postdoc vid MIT och den gemensamma huvudförfattaren till den nya studien.
De nya katalysatorerna, som kan ställas in för att utföra många olika typer av reaktioner, skulle också kunna inkorporeras i andra material, inklusive textilier eller partiklar.
Timothy Swager, John D. MacArthur-professorn i kemi vid MIT, är seniorförfattare till artikeln, som idag visas i Nature Communications . Sheng Guo, en MIT-forskare, och Shao-Xiong Lennon Luo, en MIT-student, är också författare till artikeln.
Hybridmaterial
Photoredox-katalysatorer fungerar genom att absorbera fotoner och sedan använda den ljusenergin för att driva en kemisk reaktion, analogt med hur klorofyll i växtceller absorberar energi från solen och använder den för att bygga sockermolekyler.
Kemister har utvecklat två huvudklasser av fotoredoxkatalysatorer, som är kända som homogena och heterogena katalysatorer. Homogena katalysatorer består vanligtvis av organiska färgämnen eller ljusabsorberande metallkomplex. Dessa katalysatorer är lätta att ställa in för att utföra en specifik reaktion, men nackdelen är att de löses upp i lösningen där reaktionen äger rum. Det betyder att de inte enkelt kan tas bort och användas igen.
Heterogena katalysatorer, å andra sidan, är fasta mineraler eller kristallina material som bildar ark eller 3D-strukturer. Dessa material löses inte upp, så de kan användas mer än en gång. Dessa katalysatorer är dock svårare att ställa in för att uppnå en önskad reaktion.
För att kombinera fördelarna med båda dessa typer av katalysatorer beslutade forskarna att bädda in färgämnena som utgör homogena katalysatorer i en fast polymer. För denna applikation anpassade forskarna en plastliknande polymer med små porer som de tidigare utvecklat för att utföra gasseparationer. I den här studien visade forskarna att de kunde införliva ett dussin olika homogena katalysatorer i sitt nya hybridmaterial, men de tror att det skulle kunna fungera mer, många fler.
"Dessa hybridkatalysatorer har återvinningsbarheten och hållbarheten hos heterogena katalysatorer, men också den exakta avstämningsförmågan hos homogena katalysatorer," säger Liu. "Du kan inkorporera färgämnet utan att förlora sin kemiska aktivitet, så du kan mer eller mindre välja bland de tiotusentals fotoredoxreaktioner som redan är kända och få en olöslig motsvarighet till den katalysator du behöver."
Forskarna fann att inkorporering av katalysatorerna i polymerer också hjälpte dem att bli mer effektiva. En anledning är att reaktantmolekyler kan hållas i polymerens porer redo att reagera. Dessutom kan ljusenergi lätt färdas längs polymeren för att hitta de väntande reaktanterna.
"De nya polymererna binder molekyler från lösningen och förkoncentrerar dem effektivt för reaktion", säger Swager. "De exciterade tillstånden kan också snabbt migrera genom polymeren. Den kombinerade rörligheten för det exciterade tillståndet och uppdelningen av reaktanterna i polymeren ger snabbare och mer effektiva reaktioner än vad som är möjligt i rena lösningsprocesser."
Högre effektivitet
Forskarna visade också att de kunde justera de fysikaliska egenskaperna hos polymerstommen, inklusive dess tjocklek och porositet, baserat på vilken applikation de vill använda katalysatorn för.
Som ett exempel visade de att de kunde göra fluorerade polymerer som skulle fästa vid fluorerade rör, som ofta används för kontinuerligt flödestillverkning. Under denna typ av tillverkning strömmar kemiska reaktanter genom en serie rör medan nya ingredienser tillsätts, eller andra steg som rening eller separation utförs.
För närvarande är det utmanande att införliva fotoredoxreaktioner i kontinuerliga flödesprocesser eftersom katalysatorerna förbrukas snabbt, så de måste kontinuerligt tillsättas i lösningen. Att införliva de nya MIT-designade katalysatorerna i slangarna som används för denna typ av tillverkning kan tillåta fotoredoxreaktioner att utföras under kontinuerligt flöde. Slangen är klar, vilket gör att ljus från en LED kan nå katalysatorerna och aktivera dem.
"Tanken är att katalysatorn ska belägga ett rör, så att du kan flöda din reaktion genom röret medan katalysatorn stannar kvar. På så sätt får du aldrig katalysatorn att hamna i produkten, och du kan också komma mycket högre upp effektivitet", säger Liu.
Katalysatorerna kan också användas för att belägga magnetiska pärlor, vilket gör dem lättare att dra ut ur en lösning när reaktionen är avslutad, eller för att belägga reaktionsflaskor eller textilier. Forskarna arbetar nu med att införliva ett bredare utbud av katalysatorer i sina polymerer och på att konstruera polymererna för att optimera dem för olika möjliga tillämpningar. + Utforska vidare
