En ny, grönare och billigare metod för att påskynda kemiska reaktioner har utvecklats av forskare vid King's College London i samarbete med University of Barcelona och ETH Zürich. Istället för att använda förorenande och dyra metallbaserade katalysatorer, bevisade teamet att elektriska fält kan katalysera reaktioner för att producera kemiska föreningar.

Med utgångspunkt i tidigare forskning publicerad 2016 som visade att ett elektriskt fält kunde katalysera reaktioner i ett gap i nanoskala, skalade forskarna från kemiska institutionen upp metodiken för att katalysera reaktioner på en elektrod med centimeterarea elektriskt. Detta öppnar vägen för ett renare alternativ till metallbaserade katalysatorer, vilket potentiellt förändrar hur kemiska föreningar framställs.

Att accelerera kemiska reaktioner mellan molekyler genom katalys är grundläggande för att göra de nya material som krävs av en rad industrier och teknologier som producerar produkter med högt förädlingsvärde, såsom läkemedel. För närvarande är dessa reaktioner huvudsakligen beroende av katalysatorer som innehåller ädelmetaller som platina, palladium och rodium.

Dessa är inte bara mycket dyra och miljöskadliga att utvinna, utan metoden använder stora mängder energi och de giftiga biprodukterna är svåra och kostsamma att kassera.

Att möjliggöra katalys genom elektriska fält möjliggör en billigare, mer energieffektiv och mindre förorenande lösning på detta problem.

"Att använda elektriska fält som den enda katalysatorn för kemiska reaktioner har länge förutspåtts teoretiskt. Idén kom från forskare som studerade mekanismerna för enzymatisk katalys i naturen, som förutspådde att stora elektriska fält inom enzymets aktiva ställen skulle kunna fungera som en katalysator inom enzymatiken. kemiska reaktioner", säger professor Ismael Diez Perez.

"2016 på King's bevisade vi faktiskt denna teori i labbet. Genom att exponera två reaktanter för ett spänningsförspänt gap i nanoskala skapade vi ett kraftfält som accelererar bildningen av reaktionsprodukten."

"Sedan dess har vi utvecklat en ny teknik för att möjliggöra elektrifierad kemisk produktion i mycket större skala. Vi designade en mikrofluidisk cell som skapar ett kontinuerligt flöde av reaktanter som katalyseras tillsammans inom ett elektriskt fält. Elektrodernas gränssnitt begränsas inom mikrofluidkanalen inducerar en kemisk reaktion på centimeterområdena av elektroderna, vilket producerar nya kemiska föreningar."

Professor Diez Perez och hans team tror att denna process kan förändra den farmakologiska industrin, som är beroende av produktionen av mycket fina, förädlade kemiska föreningar, normalt mycket dyra att producera genom traditionella katalysmetoder. Forskarna förutspår till och med att det elektriska fältet kan kontrolleras för att bilda rena isomera kemiska föreningar - ett viktigt steg för att producera läkemedel som har den lämpliga molekylära formen för människokroppen att känna igen.

"Det här genombrottet signalerar början på en mycket spännande stegförändring i att förändra hur vi hanterar katalys. Vi har nu bevisat att elektriska fält kan skalas upp för att producera milligram av kemiska föreningar, nästa steg är att bygga ännu större modeller för användning överallt. många olika områden och industrier som möjliggör billigare, grönare produktionsmetoder, säger Deiz Perez.

Verket publiceras i tidskriften Nature Communications .

Mer information: Semih Sevim et al, Elektrostatisk katalys av en klickreaktion i en mikrofluidisk cell, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44716-2

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av King's College London