I produttori di sostanze chimiche utilizzano spesso solventi tossici come alcoli e benzene per realizzare prodotti come prodotti farmaceutici e plastica. I ricercatori stanno esaminando un fenomeno precedentemente trascurato e frainteso nelle reazioni chimiche utilizzate per realizzare questi prodotti. Questa scoperta porta una nuova comprensione fondamentale della chimica catalitica e un trampolino di lancio per applicazioni pratiche che un giorno potrebbero rendere la produzione chimica meno dispendiosa e più ecologica.

Lo studio condotto dal ricercatore David Flaherty dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign, Università del Minnesota, Il ricercatore di Twin Cities Matthew Neurock e il ricercatore della Virginia Tech Ayman Karim vengono pubblicati sulla rivista Scienza .

La combinazione di solventi e nanoparticelle metalliche accelera molte reazioni chimiche e aiuta a massimizzare la resa e i margini di profitto per l'industria chimica. Però, molti solventi sono tossici e difficili da smaltire in sicurezza, hanno detto i ricercatori. opere d'acqua, pure, ma non è così efficiente o affidabile come i solventi organici. Si pensava che la ragione della differenza fosse la limitata solubilità di alcuni reagenti in acqua. Però, molteplici irregolarità nei dati sperimentali hanno portato il team a rendersi conto che le ragioni di queste differenze non erano state completamente comprese.

Per comprendere meglio il processo, il team ha condotto esperimenti per analizzare la riduzione dell'ossigeno in perossido di idrogeno, un set utilizzando acqua, un altro con metanolo, e altri con miscele di acqua e metanolo. Tutti gli esperimenti hanno utilizzato nanoparticelle di palladio.

"Negli esperimenti con il metanolo, abbiamo osservato la decomposizione spontanea del solvente che lascia un residuo organico, o feccia, sulla superficie delle nanoparticelle, " disse Flaherty, un professore di ingegneria chimica e biomolecolare all'Illinois. "In alcuni casi, il residuo simile alla schiuma aderisce alle nanoparticelle e aumenta le velocità di reazione e la quantità di perossido di idrogeno formato invece di ostacolare la reazione. Questa osservazione ci ha fatto chiedere come potrebbe essere d'aiuto".

Il team ha scoperto che il residuo, o mediatore redox di superficie, contiene specie contenenti ossigeno, compreso un componente chiave idrossimetil. Si accumula sulla superficie delle nanoparticelle di palladio e apre nuove vie di reazione chimica, i rapporti di studio.

"Una volta formato, il residuo diventa parte del ciclo catalitico ed è probabilmente responsabile di alcune delle diverse efficienze tra i solventi riportate negli ultimi 40 anni di lavoro su questa reazione, " Flaherty ha detto. "Il nostro lavoro fornisce una forte evidenza che questi mediatori redox superficiali si formano nei solventi alcolici e che possono spiegare molti misteri passati per questa chimica".

Lavorando con più tipi di esperimenti e simulazioni computazionali, il team ha appreso che questi mediatori redox trasferiscono efficacemente sia i protoni che gli elettroni ai reagenti, considerando che le reazioni in acqua pura trasferiscono facilmente i protoni, ma non elettroni. Questi mediatori alterano anche la superficie delle nanoparticelle in modo da abbassare la barriera energetica da superare per il trasferimento di protoni ed elettroni, i rapporti di studio.

"Mostriamo che i solventi alcolici e gli additivi organici possono reagire per formare mediatori di superficie legati al metallo che agiscono allo stesso modo dei cofattori enzimatici nel nostro corpo nel catalizzare le reazioni di ossidazione e riduzione, " ha detto Neurock.

Inoltre, questo lavoro potrebbe avere implicazioni per la riduzione delle quantità di solvente utilizzato e dei rifiuti generati nell'industria chimica.

"La nostra ricerca suggerisce che per alcune situazioni, i produttori chimici potrebbero formare i mediatori redox superficiali aggiungendo piccole quantità di un additivo all'acqua pura invece di pompare migliaia di litri di solventi organici attraverso questi reattori, " ha detto Flaherty.