Forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Harvard Department of Chemistry &Chemical Biology och Utrecht University har rapporterat om ett tidigare svårfångat sätt att förbättra selektiviteten hos katalytiska reaktioner, och lagt till en ny metod för att öka effektiviteten av katalysatorer för ett potentiellt brett spektrum av tillämpningar inom olika industrier, inklusive läkemedel, kosmetika och mycket mer.

Forskningen publiceras i Nature Catalysis.

Den kemiska industrin är beroende av katalysatorer för över 90 % av sina processer och nästan alla dessa katalysatorer består av nanopartiklar utspridda ovanpå ett substrat. Forskare har länge misstänkt att storleken på enskilda nanopartiklar och avståndet mellan dem spelar en viktig roll för hastigheten på och de produkter som produceras i den katalytiska reaktionen, men eftersom nanopartiklar är benägna att flytta runt och agglomerera under katalys, har det varit svårt att studera exakt hur.

Under det senaste decenniet har Joanna Aizenberg, Amy Smith Berylson-professorn i materialvetenskap och professor i kemi och kemisk biologi och hennes labb hämtat inspiration från naturen för att bygga högordnade, porösa material för ett brett spektrum av katalytiska reaktioner.

Inspirerad av strukturen hos fjärilsvingar designade forskarna en ny katalysatorplattform som delvis bäddar in nanopartiklar i substratet, fångar dem så att de inte rör sig under katalys, samtidigt som resten av nanopartiklarnas yta lämnas exponerad, vilket gör att de kan prestera de katalytiska reaktionerna effektivt och utan agglomerering.

Forskarna fann att avståndet mellan partiklarna hade en enorm inverkan på reaktionens selektivitet.

"Många industriellt relevanta kemiska reaktioner följer en kaskad där kemikalie A omvandlas till kemikalie B som sedan kan omvandlas till kemikalie C och så vidare", säger Kang Rui Garrick Lim, doktorand i Aizenberg Lab och första författare till studien .

"I vissa katalytiska processer är den mellanliggande kemikalien, kemikalie B, målet, medan det i andra är slutprodukten, kemikalie C. Katalysatorns selektivitet avser om den gynnar produktionen av kemikalie B eller kemikalie C."

Ett bra exempel på detta är produktionen av bensylalkohol, en kemikalie som används i allt från skallacker, färger och lädertillverkning till intravenösa mediciner, kosmetika och aktuella läkemedel.

Bensylalkohol är den mellanliggande kemikalien B, som härrör från hydreringen av bensaldehyd (kemikalie A), innan reaktionen skapar toluen (kemikalie C), en annan vanlig kemikalie men av lägre värde. För att producera bensylalkohol effektivt måste toluenbildningen undertryckas.

För att göra den mer användbara bensylalkoholen för närvarande bromsas den katalytiska hydreringsreaktionen ner, eller körs inte till slut, för att säkerställa att reaktionen stannar vid B och bildar så lite toluen som möjligt.

"Generellt, för att göra dessa mellanliggande kemikalier, gör du katalysatorn mindre reaktiv och den totala reaktionen långsammare, vilket inte är produktivt alls," sa Lim. "Katalysatorer är tänkta att påskynda saker och ting, inte sakta ner dem."

Forskarna visade sin plattform i den katalytiska bildningen av bensylalkohol. Lim och teamet fann att när katalytiska metallnanopartiklar placerades längre isär på substratet, var reaktionen mer selektiv mot bensylalkohol, den mellanliggande kemikalien.

När nanopartiklarna var närmare varandra var reaktionen mer selektiv mot toluen, slutprodukten. Med tanke på att avståndet mellan nanopartiklar kan justeras syntetiskt med hjälp av den bioinspirerade katalysatorplattformen, tyder forskningen på att samma katalysatorplattform lätt kan anpassas för en rad mellan- eller slutproduktkemikalier.

"Katalys är centralt för produktionen av en hel rad extremt viktiga material som används i läkemedel, konsumentprodukter och vid tillverkning av många produkter som vi alla använder i vardagen", säger Aizenberg.

"Att lägga till detta selektivitetsförbättrande verktyg till kemistens arsenal är extremt viktigt. Det kommer att möjliggöra effektivare inställning av katalytiska processer, mer ekonomisk användning av råvarorna tillsammans med minskning av energiförbrukningen och avfallsgenerering. Vi hoppas att kemister kommer att använda vår plattform i ytterligare optimering av nya och befintliga katalytiska processer."

Därefter kommer teamet att använda samma plattform för att förstå hur storleken på nanopartiklar påverkar reaktionen på fasta avstånd mellan nanopartiklar.

Harvards kontor för teknisk utveckling har skyddat den immateriella egendomen från professor Aizenbergs labb, som är den underliggande teknologin för denna forskning.

Forskningen var medförfattare av Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi E. S. van der Hoeven och Michael Aizenberg.

Mer information: Kang Rui Garrick Lim et al, Nanopartikelnärhet kontrollerar selektivitet vid bensaldehydhydrering, Naturkatalys (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01104-1

Journalinformation: Naturkatalys

Tillhandahålls av Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences