En enkel teknik som använder små mängder energi kan öka effektiviteten hos några viktiga kemiska processreaktioner, med upp till en faktor på 100 000, rapporterar MIT-forskare. Dessa reaktioner är kärnan i petrokemisk bearbetning, läkemedelstillverkning och många andra industriella kemiska processer.
De överraskande fynden rapporteras i tidskriften Science , i en artikel av MIT-studenten Karl Westendorff, professorerna Yogesh Surendranath och Yuriy Roman-Leshkov, och två andra.
"Resultaten är verkligen slående", säger Surendranath, professor i kemi och kemiteknik. Hastighetsökningar av den storleken har setts tidigare men i en annan klass av katalytiska reaktioner som kallas redox-halvreaktioner, som involverar förstärkning eller förlust av en elektron. De dramatiskt ökade hastigheterna som rapporterades i den nya studien "har aldrig observerats för reaktioner som inte involverar oxidation eller reduktion", säger han.
De icke-redox-kemiska reaktionerna som studerats av MIT-teamet katalyseras av syror. "Om du är en förstaårs kemistudent, är förmodligen den första typen av katalysator du lär dig om en syrakatalysator," säger Surendranath. Det finns många hundra sådana syrakatalyserade reaktioner, "och de är superviktiga i allt från bearbetning av petrokemiska råvaror till tillverkning av råvarukemikalier till att göra omvandlingar i farmaceutiska produkter. Listan fortsätter och fortsätter."
"Dessa reaktioner är nyckeln till att göra många produkter vi använder dagligen", tillägger Roman-Leshkov, professor i kemiteknik och kemi.
Men de människor som studerar redox-halvreaktioner, även kända som elektrokemiska reaktioner, är en del av ett helt annat forskarsamhälle än de som studerar icke-redox-kemiska reaktioner, så kallade termokemiska reaktioner. Som ett resultat, även om tekniken som används i den nya studien, som involverar applicering av en liten extern spänning, var välkänd inom den elektrokemiska forskarvärlden, hade den inte tillämpats systematiskt på syrakatalyserade termokemiska reaktioner.
Människor som arbetar med termokemisk katalys, säger Surendranath, "överväger vanligtvis inte" rollen av den elektrokemiska potentialen på katalysatorytan, "och de har ofta inte bra sätt att mäta den. Och vad den här studien säger oss är att relativt sett Små förändringar, i storleksordningen några hundra millivolt, kan ha enorma effekter - storleksordningsförändringar i hastigheten för katalyserade reaktioner på dessa ytor."
"Denna förbisedda parameter för ytpotential är något vi bör ägna mycket uppmärksamhet åt eftersom det kan ha en riktigt, riktigt överdimensionerad effekt", säger han. "Det förändrar paradigmet för hur vi tänker kring katalys."
Kemister tänker traditionellt på ytkatalys baserad på den kemiska bindningsenergin hos molekyler till aktiva platser på ytan, vilket påverkar mängden energi som behövs för reaktionen, säger han. Men de nya rönen visar att den elektrostatiska miljön är "lika viktig för att definiera reaktionshastigheten."
Teamet har redan lämnat in en provisorisk patentansökan på delar av processen och arbetar på sätt att tillämpa resultaten på specifika kemiska processer. Westendorff säger att deras resultat tyder på att "vi bör designa och utveckla olika typer av reaktorer för att dra fördel av den här typen av strategi. Och vi arbetar just nu med att skala upp dessa system."
Medan deras experiment hittills har gjorts med en tvådimensionell plan elektrod, körs de flesta industriella reaktioner i tredimensionella kärl fyllda med pulver. Katalysatorer distribueras genom dessa pulver, vilket ger mycket mer yta för reaktionerna att äga rum.
"Vi tittar på hur katalys för närvarande görs inom industrin och hur vi kan designa system som drar fördel av den redan befintliga infrastrukturen", säger Westendorff.
Surendranath tillägger att dessa nya rön "höjer lockande möjligheter:Är detta ett mer allmänt fenomen? Spelar elektrokemisk potential en nyckelroll i andra reaktionsklasser också? I vårt sinne omformar detta hur vi tänker om att designa katalysatorer och främja deras reaktivitet."
Roman-Leshkov tillägger att "traditionellt skulle människor som arbetar med termokemisk katalys inte alls associera dessa reaktioner med elektrokemiska processer. Men att introducera detta perspektiv för samhället kommer att omdefiniera hur vi kan integrera elektrokemiska egenskaper i termokemisk katalys. Det kommer att ha en stor inverkan på samhället i allmänhet."
Även om det vanligtvis har varit lite interaktion mellan elektrokemiska och termokemiska katalysforskare, säger Surendranath, "Denna studie visar samhället att det verkligen finns en suddig gräns mellan de två och att det finns en enorm möjlighet i korsbefruktning mellan dessa två samhällen. ."
Westerndorff tillägger att för att få det att fungera, "måste du designa ett system som är ganska okonventionellt för någon av samhället för att isolera denna effekt." Och det hjälper till att förklara varför en så dramatisk effekt aldrig hade setts tidigare. Han noterar att även deras tidnings redaktör frågade dem varför denna effekt inte hade rapporterats tidigare.
Svaret har att göra med "hur olika de två ideologierna var innan detta", säger han. "Det är inte bara det att folk inte riktigt pratar med varandra. Det finns djupa metodologiska skillnader mellan hur de två samhällena genomför experiment. Och det här arbetet är verkligen, tycker vi, ett bra steg mot att överbrygga de två."
I praktiken kan resultaten leda till mycket effektivare produktion av en mängd olika kemiska material, säger teamet. "Du får storleksordningar förändringar i hastighet med mycket lite energiinsats," säger Surendranath. "Det är det som är fantastiskt med det."
Fynden, säger han, "skapar en mer holistisk bild av hur katalytiska reaktioner vid gränssnitt fungerar, oavsett om du ska lägga dem i kategorin elektrokemiska reaktioner eller termokemiska reaktioner." Han tillägger att "det är sällsynt att du hittar något som verkligen skulle kunna revidera vår grundläggande förståelse av ytkatalytiska reaktioner i allmänhet. Vi är väldigt glada."
Mer information: Karl S. Westendorff et al, Elektriskt driven protonöverföring främjar Brønsted-syrakatalys i storleksordningar, Science (2024). DOI:10.1126/science.adk4902. www.science.org/doi/10.1126/science.adk4902
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av Massachusetts Institute of Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
