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神秘的有机浮渣可提高化学反应效率可减少化学废物美容镜

2022-06-30 10:10:20

神秘的有机浮渣可提高化学反应效率，可减少化学废物

化学品制造商经常使用有毒的溶剂（例如酒精和苯）来制造药品和塑料等产品。研究人员正在研究一种用于制造这些产品的化学反应中先前被忽视和误解的现象。这一发现为催化化学带来了新的基础知识，并为实际应用提供了踏脚石，这有一天可以使化学制造的浪费更少，对环境更无害

由伊利诺伊大学厄本那-香槟分校的研究人员David Flaherty，明尼苏达大学，双城研究人员Matthew Neurock和弗吉尼亚理工学院的研究人员Ayman Karim领导的这项研究发表在《科学》杂志上。

溶剂和金属纳米粒子的组合可加速许多化学反应，并有助于最大化化学工业的产量和利润率。但是，许多溶剂有毒，难以安全处置。水也能起作用，但它的效率或可靠性不如有机溶剂。认为差异的原因是某些反应物在水中的溶解度有限。但是，由于实验数据中存在多种不规范现象，研究小组才意识到尚未完全理解这些差异的原因。

为了更好地了解该过程，该团队进行了实验，以分析氧气还原为过氧化氢的情况-一套用水，另一套用水和甲醇，另一套用水和甲醇混合物。所有实验均使用钯纳米颗粒。

伊利诺伊州化学和生物分子工程学教授弗莱厄蒂说：“在甲醇实验中，我们观察到了溶剂的自发分解，在纳米粒子的表面留下了有机残留物或浮渣。” “在某些情况下，浮渣状残留物附着在纳米颗粒上，从而提高了反应速率和形成的过氧化氢的量，而不是阻碍了反应。这一发现使我们想知道它可能有什么帮助。”

研究小组发现，残留物或表面氧化还原介体可容纳含氧物质，其中包括关键成分羟甲基。研究报告称，它会积聚在钯纳米颗粒的表面，并开辟新的化学反应途径。

“一旦形成，残留物将成为催化循环的一部分，并且可能是过去40年来针对该反应进行报道的溶剂中某些不同效率的原因，” Flaherty说。“我们的工作提供了有力的证据，证明这些表面氧化还原介体是在酒精溶剂中形成的，它们可能解释了该化学方法的许多过去的奥秘。”

通过与多种类型的实验和计算模拟一起工作，研究小组了解到这些氧化还原介体可有效地将质子和电子转移到反应物中，而在纯水中的反应则容易转移质子，但不会转移电子。研究报告还指出，这些介体还改变了纳米粒子的表面，从而降低了质子和电子转移所要克服的能垒。

Neurock说：“我们证明，醇类溶剂与有机添加剂可以反应形成与金属结合的表面介体，其作用与我们体内酶促辅因子在催化氧化和还原反应中起的作用相同。”

此外，这项工作可能对减少化学工业中使用的溶剂和产生的废物量有影响。

“我们的研究表明，在某些情况下，化学品生产商可以通过向纯水中添加少量添加剂，而不是通过这些反应器泵送数千加仑的有机溶剂，来形成表面氧化还原介体。”

能源和生物科学研究所通过EBI-Shell计划和美国国家科学基金会为这项研究提供了支持。