01.06.2022 - Massachusetts Institute of Technology

Neue lichtbetriebene Katalysatoren könnten bei der Produktion helfen

"Die Idee ist, dass der Katalysator ein Rohr beschichtet, so dass man die Reaktion durch das Rohr fließen lassen kann, während der Katalysator an Ort und Stelle bleibt"

Chemische Reaktionen, die durch Licht angetrieben werden, bieten Chemikern, die neue Wege zur Herstellung von Arzneimitteln und anderen nützlichen Verbindungen entwickeln, ein mächtiges Werkzeug. Die Nutzung dieser Lichtenergie erfordert Photoredox-Katalysatoren, die Licht absorbieren und die Energie auf eine chemische Reaktion übertragen können.

MIT-Chemiker haben nun eine neue Art von Photoredox-Katalysator entwickelt, der es einfacher machen könnte, lichtgesteuerte Reaktionen in Herstellungsprozesse einzubinden. Im Gegensatz zu den meisten bestehenden Photoredox-Katalysatoren ist die neue Materialklasse unlöslich, so dass sie immer wieder verwendet werden kann. Solche Katalysatoren könnten verwendet werden, um Rohre zu beschichten und chemische Umwandlungen an Reaktanten durchzuführen, während sie durch das Rohr fließen.

"Die Möglichkeit, den Katalysator zu recyceln, ist eine der größten Herausforderungen, die es zu überwinden gilt, um die Photoredox-Katalyse in der Produktion einsetzen zu können. Wir hoffen, dass wir durch die Durchfluss-Chemie mit einem immobilisierten Katalysator einen neuen Weg für die Photoredox-Katalyse in größerem Maßstab eröffnen können", sagt Richard Liu, ein MIT-Postdoc und Mitautor der neuen Studie.

Die neuen Katalysatoren, die so eingestellt werden können, dass sie viele verschiedene Arten von Reaktionen durchführen, könnten auch in andere Materialien wie Textilien oder Partikel eingebaut werden.

Timothy Swager, der John D. MacArthur-Professor für Chemie am MIT, ist der Hauptautor der Studie, die in Nature Communications veröffentlicht wurde. Sheng Guo, ein MIT-Forschungswissenschaftler, und Shao-Xiong Lennon Luo, ein MIT-Diplomstudent, sind ebenfalls Autoren des Artikels.

Hybride Materialien

Photoredox-Katalysatoren absorbieren Photonen und nutzen dann die Lichtenergie, um eine chemische Reaktion in Gang zu setzen, ähnlich wie das Chlorophyll in Pflanzenzellen die Sonnenenergie absorbiert und zum Aufbau von Zuckermolekülen verwendet.

Chemiker haben zwei Hauptklassen von Photoredox-Katalysatoren entwickelt, die als homogene und heterogene Katalysatoren bezeichnet werden. Die homogenen Katalysatoren bestehen in der Regel aus organischen Farbstoffen oder lichtabsorbierenden Metallkomplexen. Diese Katalysatoren lassen sich leicht auf eine bestimmte Reaktion abstimmen, haben aber den Nachteil, dass sie sich in der Lösung, in der die Reaktion stattfindet, auflösen. Das bedeutet, dass sie nicht einfach entfernt und wieder verwendet werden können.

Heterogene Katalysatoren hingegen sind feste Mineralien oder kristalline Materialien, die Schichten oder 3D-Strukturen bilden. Diese Materialien lösen sich nicht auf, so dass sie mehrmals verwendet werden können. Allerdings lassen sich diese Katalysatoren schwieriger auf die gewünschte Reaktion abstimmen.

Um die Vorteile dieser beiden Katalysatortypen zu kombinieren, beschlossen die Forscher, die Farbstoffe, aus denen homogene Katalysatoren bestehen, in ein festes Polymer einzubetten. Für diese Anwendung adaptierten die Forscher ein kunststoffähnliches Polymer mit winzigen Poren, das sie zuvor für die Durchführung von Gastrennungen entwickelt hatten. In dieser Studie haben die Forscher gezeigt, dass sie etwa ein Dutzend verschiedener homogener Katalysatoren in ihr neues Hybridmaterial einbauen konnten, aber sie glauben, dass es noch viel mehr funktionieren könnte.

"Diese Hybridkatalysatoren haben die Wiederverwertbarkeit und Haltbarkeit von heterogenen Katalysatoren, aber auch die präzise Abstimmbarkeit von homogenen Katalysatoren", sagt Liu. "Man kann den Farbstoff einbauen, ohne seine chemische Aktivität zu verlieren, so dass man mehr oder weniger aus den Zehntausenden von bereits bekannten Photoredox-Reaktionen auswählen und ein unlösliches Äquivalent des benötigten Katalysators erhalten kann."

Die Forscher fanden heraus, dass die Einbindung der Katalysatoren in Polymere auch zu einer höheren Effizienz beiträgt. Ein Grund dafür ist, dass die Reaktionsmoleküle in den Poren des Polymers festgehalten werden können, wo sie zur Reaktion bereit sind. Außerdem kann sich die Lichtenergie leicht durch das Polymer bewegen, um die wartenden Reaktanten zu finden.

"Die neuen Polymere binden Moleküle aus der Lösung und konzentrieren sie effektiv für die Reaktion vor", sagt Swager. "Außerdem können die angeregten Zustände schnell durch das Polymer wandern. Die kombinierte Mobilität des angeregten Zustands und die Verteilung der Reaktanten im Polymer ermöglichen schnellere und effizientere Reaktionen als bei reinen Lösungsprozessen."

Höhere Effizienz

Die Forscher zeigten auch, dass sie die physikalischen Eigenschaften des Polymerrückgrats, einschließlich seiner Dicke und Porosität, je nach der gewünschten Anwendung des Katalysators einstellen können.

So konnten sie beispielsweise zeigen, dass sie fluorierte Polymere herstellen können, die an fluorierten Rohren haften, die häufig für die kontinuierliche Fließfertigung verwendet werden. Bei dieser Art der Herstellung fließen die chemischen Reaktanten durch eine Reihe von Rohren, während neue Bestandteile hinzugefügt oder andere Schritte wie Reinigung oder Trennung durchgeführt werden.

Gegenwärtig ist es schwierig, Photoredox-Reaktionen in kontinuierliche Fließprozesse einzubinden, da die Katalysatoren schnell verbraucht sind und der Lösung daher kontinuierlich zugesetzt werden müssen. Der Einbau der neuen, vom MIT entwickelten Katalysatoren in die für diese Art der Herstellung verwendeten Schläuche könnte die Durchführung von Photoredox-Reaktionen während des kontinuierlichen Flusses ermöglichen. Die Schläuche sind durchsichtig, so dass das Licht einer LED die Katalysatoren erreichen und aktivieren kann.

"Die Idee ist, dass der Katalysator ein Rohr beschichtet, so dass man die Reaktion durch das Rohr fließen lassen kann, während der Katalysator an Ort und Stelle bleibt. Auf diese Weise gelangt der Katalysator nicht in das Produkt, und man kann auch eine viel höhere Effizienz erzielen", sagt Liu.

Die Katalysatoren könnten auch verwendet werden, um magnetische Kügelchen zu beschichten, so dass sie nach Abschluss der Reaktion leichter aus einer Lösung herausgezogen werden können, oder um Reaktionsgefäße oder Textilien zu beschichten. Die Forscher arbeiten nun daran, eine breitere Palette von Katalysatoren in ihre Polymere einzubauen und die Polymere so zu gestalten, dass sie für verschiedene mögliche Anwendungen optimiert werden.

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

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