Un team di ricerca della Northwestern University ha rivelato un nuovo approccio alla conduzione delle reazioni chimiche, che non richiede il contatto diretto con un catalizzatore.

Nelle tipiche reazioni catalitiche, il catalizzatore, la sostanza che aumenta la velocità di una reazione chimica, ei reagenti del substrato devono essere presenti nello stesso mezzo e in contatto diretto tra loro per produrre una reazione. Il nuovo sistema del team di ricerca dimostra una reazione chimica prodotta attraverso un intermediario creato da una reazione chimica separata. I risultati potrebbero avere applicazioni nella bonifica ambientale e nella produzione di carburante.

"Migliorare la nostra comprensione della relazione catalizzatore-intermediario-reazione potrebbe espandere notevolmente le possibilità delle reazioni catalitiche, " disse Harold Kung, Walter P. Murphy Professore di ingegneria chimica e biologica presso la McCormick School of Engineering, che ha condotto la ricerca. "Imparando che una reazione chimica può procedere senza contatto diretto con un catalizzatore, apriamo la porta all'utilizzo di catalizzatori provenienti da elementi abbondanti sulla terra per eseguire reazioni che normalmente non catalizzano".

Lo studio, intitolato "Catalisi senza contatto:inizio dell'ossidazione selettiva dell'etilbenzene mediante epossidazione del cicloottene facilitata da cluster di Au, " è stato pubblicato il 31 gennaio sulla rivista Progressi scientifici . Mayfair Kung, professore associato di ricerca di ingegneria chimica e biologica, era un autore co-corrispondente sulla carta. Linda Broadbelt, Sarah Rebecca Roland Professore di ingegneria chimica e biologica e decano associato per la ricerca, anche contribuito allo studio.

La ricerca si basa su lavori precedenti in cui il team ha studiato l'ossidazione selettiva del cicloottene, un tipo di idrocarburo, utilizzando l'oro (Au) come catalizzatore. Lo studio ha rivelato che la reazione è stata catalizzata da nanocluster d'oro disciolti. Sorpreso, i ricercatori hanno deciso di studiare quanto bene i cluster d'oro potrebbero catalizzare l'ossidazione selettiva di altri idrocarburi.

Utilizzando una piattaforma che hanno sviluppato chiamata Sistema di catalisi senza contatto (NCCS), i ricercatori hanno testato l'efficacia di un catalizzatore d'oro contro l'etilbenzene, un composto organico prevalente nella produzione di molte materie plastiche. Mentre l'etilbenzene non ha subito alcuna reazione in presenza dei cluster d'oro, il team ha scoperto che quando gli ammassi d'oro reagivano con il cicloottene, la molecola risultante ha fornito l'intermediario necessario per produrre l'ossidazione dell'etilbenzene.

"Le due reazioni sono totalmente indipendenti l'una dall'altra, "Kung ha detto. "Abbiamo visto che i nanocluster d'oro e il cicloottene erano inefficaci per ossidare l'etilbenzene da soli. Il contatto diretto non ha fatto procedere la reazione. Così, la reazione intermedia era necessaria."

Dimostrando come catalizzatori normalmente inefficaci possono essere resi efficaci in una reazione attraverso un intermediario, i ricercatori ritengono che sia possibile progettare sistemi utilizzando catalizzatori fisicamente separati da un mezzo di reazione che altrimenti danneggerebbe il catalizzatore. Questo nuovo approccio potrebbe fornire una soluzione efficace nel risanamento ambientale, come pulire un fiume contaminato, dove alcuni componenti nell'acqua possono essere velenosi per il catalizzatore.

"Potresti usare una membrana per separare il catalizzatore dal mezzo, quindi utilizzare il catalizzatore per generare un intermediario che possa passare attraverso la membrana e degradare il contaminante in modo più sicuro, " disse Kung.

Il lavoro apre anche le porte a una maggiore libertà nella produzione chimica industriale. La capacità di condurre reazioni parallele accoppiate senza i vincoli della tradizionale stechiometria - le rigorose relazioni basate sulla quantità tra i prodotti di reazione - potrebbe rendere i processi industriali di co-ossidazione degli idrocarburi più versatili, efficiente, e conveniente. Questi processi sono vitali nella produzione di benzina e nella conversione del gas naturale in combustibile liquido e altri prodotti chimici.

Il prossimo passo del team di ricerca è determinare la reattività dell'oro contro altri idrocarburi di diversa forza di legame. Sperano anche di sapere se un fenomeno simile può essere applicato ad altri metalli, come argento o rame.

"Non siamo ancora arrivati, ma una volta compresa la relazione tra la reattività dei cluster auriferi verso gli idrocarburi e le forze di legame, saremo in grado di prevedere e progettare altri sistemi di reazione chimica, " ha detto Kung.