05.02.2020 - Northwestern University

Beschleunigung von chemischen Reaktionen ohne direkten Kontakt mit einem Katalysator

Ein Forschungsteam der Northwestern University hat einen neuen Ansatz zur Durchführung chemischer Reaktionen aufgezeigt - einen, der keinen direkten Kontakt mit einem Katalysator erfordert.

Bei typischen katalytischen Reaktionen müssen der Katalysator und die Substratreaktanten im gleichen Medium und in direktem Kontakt miteinander vorhanden sein, um eine Reaktion zu erzeugen. Das neue System des Forscherteams demonstriert eine chemische Reaktion, die durch ein Zwischenprodukt erzeugt wird, das durch eine separate chemische Reaktion entsteht. Die Ergebnisse könnten bei der Umweltsanierung und der Brennstoffproduktion Anwendung finden.

"Die Verbesserung unseres Verständnisses der Beziehung zwischen Katalysator und Zwischenreaktion könnte die Möglichkeiten katalytischer Reaktionen erheblich erweitern", sagte Harold Kung, Walter P. Murphy Professor für chemische und biologische Verfahrenstechnik an der McCormick School of Engineering, der die Forschung leitete. "Indem wir lernen, dass eine chemische Reaktion ohne direkten Kontakt mit einem Katalysator ablaufen kann, öffnen wir die Tür dafür, Katalysatoren aus erdreichen Elementen zu verwenden, um Reaktionen durchzuführen, die sie normalerweise nicht katalysieren würden.

Die Studie mit dem Titel "Noncontact Catalysis: Initiation of Selective Ethylbenzene Oxidation by Au Cluster-Facilitated Cyclooctene Epoxidation", wurde in Science Advances veröffentlicht. Mayfair Kung, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin und Professorin für chemische und biologische Verfahrenstechnik, war Mitkorrespondentin der Arbeit. Linda Broadbelt, Sarah Rebecca Roland, Professorin für Chemische und Biologische Verfahrenstechnik und stellvertretende Dekanin für Forschung, trug ebenfalls zu der Studie bei.

Die Forschung baut auf früheren Arbeiten auf, in denen das Team die selektive Oxidation von Cycloocten - einer Art Kohlenwasserstoff - mit Gold (Au) als Katalysator untersucht hat. Die Studie ergab, dass die Reaktion durch gelöste Goldnanocluster katalysiert wurde. Überrascht machten sich die Forscher daran, zu untersuchen, wie gut die Goldcluster die selektive Oxidation anderer Kohlenwasserstoffe katalysieren könnten.

Mit einer von ihnen entwickelten Plattform, dem Noncontact Catalysis System (NCCS), testeten die Forscher die Wirksamkeit eines Goldkatalysators gegen Ethylbenzol, eine organische Verbindung, die bei der Herstellung vieler Kunststoffe vorherrscht. Während Ethylbenzol in Gegenwart der Goldcluster keine Reaktion zeigte, stellte das Team fest, dass, wenn die Goldcluster mit dem Cycloocten reagierten, das resultierende Molekül das notwendige Zwischenprodukt für die Ethylbenzol-Oxidation darstellte.

"Die beiden Reaktionen sind völlig unabhängig voneinander", sagte Kung. "Wir sahen, dass die Goldnanocluster und das Cycloocten allein nicht in der Lage waren, das Ethylbenzol zu oxidieren. Der direkte Kontakt hat die Reaktion nicht ausgelöst. Die Zwischenreaktion war also notwendig."

Durch den Nachweis, wie normalerweise unwirksame Katalysatoren in einer Reaktion durch ein Zwischenprodukt wirksam gemacht werden können, glauben die Forscher, dass es möglich ist, Systeme mit Katalysatoren zu entwerfen, die physikalisch von einem Reaktionsmedium getrennt sind, das sonst den Katalysator schädigen würde. Dieser neue Ansatz könnte eine wirksame Abhilfe bei der Umweltsanierung bieten, wie z.B. die Reinigung eines verseuchten Flusses, bei dem einige Bestandteile des Wassers für den Katalysator giftig sein können.

"Man könnte eine Membran verwenden, um den Katalysator vom Medium zu trennen, und dann den Katalysator verwenden, um ein Zwischenprodukt zu erzeugen, das durch die Membran hindurchgehen und die Verunreinigung auf sicherere Weise abbauen kann", sagte Kung.

Die Arbeit öffnet auch die Tür zu mehr Freiheit in der industriellen Chemieproduktion. Die Fähigkeit, gekoppelte Parallelreaktionen ohne die Zwänge der traditionellen Stöchiometrie - die strengen mengenbasierten Beziehungen zwischen den Reaktionsprodukten - durchzuführen, könnte industrielle Kohlenwasserstoff-Cooxidationsprozesse vielseitiger, effizienter und kostengünstiger machen. Diese Prozesse sind bei der Herstellung von Benzin und der Umwandlung von Erdgas in flüssigen Kraftstoff und andere Chemikalien von entscheidender Bedeutung.

Der nächste Schritt des Forschungsteams ist die Bestimmung der Reaktivität von Gold gegenüber anderen Kohlenwasserstoffen mit unterschiedlichen Bindungsstärken. Sie hoffen auch zu erfahren, ob sich ein ähnliches Phänomen auch auf andere Metalle wie Silber oder Kupfer anwenden lässt.

"Wir sind noch nicht ganz so weit, aber sobald wir die Beziehung zwischen der Reaktivität von Gold-Clustern gegenüber Kohlenwasserstoffen und der Stärke der Bindung verstehen, werden wir in der Lage sein, andere chemische Reaktionssysteme vorherzusagen und zu entwerfen", sagte Kung.

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