Den kemiska industrin producerar inte bara värdefulla vitaminer, läkemedel, smakämnen och bekämpningsmedel, men ofta en stor mängd avfall, för. Detta gäller särskilt för farmaceutisk och finkemisk produktion, där volymen av önskad produkt kan vara bara en bråkdel av volymen avfall och osäljbara biprodukter från syntesen.

En anledning till detta är att många kemiska reaktioner använder sig av katalysatorer i löst form, som Javier Pérez-Ramírez, Professor i katalysteknik, säger. Katalysatorer är ämnen som påskyndar en kemisk reaktion. När det gäller lösta katalysatorer, det kräver ofta en enorm ansträngning att separera dem från lösningsmedlet och från reaktionsprodukterna för återanvändning. Katalysatorer i fast form undviker detta problem helt och hållet.

Pérez-Ramírez och hans grupp har nu samarbetat med andra europeiska forskare och en industripartner för att utveckla just en sådan solid katalysator för en större kemisk reaktion, som forskarna rapporterar i tidningen Naturens nanoteknik . Deras katalysator är ett molekylärt gitter som består av kol- och kväveatomer (grafitisk kolnitrid) som har hålrum av atomära dimensioner i vilka forskarna placerade palladiumatomer.

Effektiv katalysator för en Nobelprisvinnande reaktion

Genom att göra små partiklar av detta palladium-kol-kväve-material, forskarna kunde visa att det katalyserar det som kallas Suzuki-reaktionen mycket effektivt. "Inom kemi, att bilda en bindning mellan två kolatomer görs ofta med hjälp av Suzuki-reaktionen, säger Sharon Mitchell, en vetenskapsman i Pérez-Ramírez labb. Det var denna reaktion som vann den japanska forskaren Akira Suzuki och två kollegor Nobelpriset i kemi 2010.

Än så länge, processen i kommersiell skala har i stor utsträckning använt lösliga palladiumkatalysatorer. Tidigare försök att fästa den lösliga katalysatorn till en fast kropp resulterade alltid i relativt instabila och ineffektiva katalysatorer.

Betydligt mindre avfall

ETH-forskarnas nya palladiumkatalysator är mycket mer stabil. Av den anledningen, och eftersom det inte löser sig i reaktionsvätskan, den kan användas under en mycket längre tidsperiod. Vad mer, Katalysatorn är mycket mer kostnadseffektiv och cirka tjugo gånger effektivare än de katalysatorer som används idag.

"Det betyder att den nya katalysatorn inte bara minskar kostnaderna för att syntetisera finkemikalier, det minskar också förbrukningen av palladium och minskar mängden avfall, " säger Pérez-Ramírez. Katalysatorn kan snart vara redo att användas inom industrin:forskarna hävdar att det borde vara lätt att skala upp katalysatorproduktion och användning från laboratoriet.

Som forskarna påpekar, Användningen av grafitisk kolnitrid som en fast katalysator är inte begränsad till Suzuki-reaktionen. Det bör också vara möjligt att befolka gittret med atomer av andra metaller än palladium för att katalysera andra synteser. ETH-forskarna kommer att utforska dessa möjligheter i framtida forskning. De planerar också att grunda ett spin-off-företag för att marknadsföra denna nya familj av katalysatorer.