Un sistema catalítico sin contacto. Crédito: Avances de la ciencia (2020). DOI:10.1126 / sciadv.aax6637
Un equipo de investigación de la Universidad Northwestern ha revelado un nuevo enfoque para realizar reacciones químicas, uno que no requiere contacto directo con un catalizador.
En reacciones catalíticas típicas, el catalizador, la sustancia que aumenta la velocidad de una reacción química, y los reactivos del sustrato deben estar presentes en el mismo medio y en contacto directo entre sí para producir una reacción. El nuevo sistema del equipo de investigación demuestra una reacción química producida a través de un intermediario creado por una reacción química separada. Los hallazgos podrían tener aplicaciones en la remediación ambiental y la producción de combustible.
"Mejorar nuestra comprensión de la relación catalizador-intermediario-reacción podría ampliar enormemente las posibilidades de reacciones catalíticas, "dijo Harold Kung, Walter P. Murphy Profesor de Ingeniería Química y Biológica en la Escuela de Ingeniería McCormick, quien dirigió la investigación. "Al saber que una reacción química puede producirse sin contacto directo con un catalizador, abrimos la puerta al uso de catalizadores de elementos abundantes en la tierra para realizar reacciones que normalmente no catalizarían ".
El estudio, titulado "Catálisis sin contacto:inicio de la oxidación selectiva de etilbenceno por epoxidación de cicloocteno facilitada por clústeres de Au, "fue publicado el 31 de enero en la revista Avances de la ciencia . Mayfair Kung, un profesor asociado de investigación de ingeniería química y biológica, fue coautor del artículo. Linda Broadbelt, Sarah Rebecca Roland Profesora de Ingeniería Química y Biológica y decana asociada de investigación, también contribuyó al estudio.
La investigación se basa en trabajos anteriores en los que el equipo investigó la oxidación selectiva del cicloocteno, un tipo de hidrocarburo, utilizando oro (Au) como catalizador. El estudio reveló que la reacción fue catalizada por nanoclusters de oro disueltos. Sorprendido, los investigadores se propusieron investigar qué tan bien los grupos de oro podrían catalizar la oxidación selectiva de otros hidrocarburos.
Usando una plataforma que desarrollaron llamada Sistema de catálisis sin contacto (NCCS), los investigadores probaron la efectividad de un catalizador de oro contra el etilbenceno, un compuesto orgánico que prevalece en la producción de muchos plásticos. Si bien el etilbenceno no experimentó ninguna reacción en presencia de los racimos de oro, el equipo descubrió que cuando los racimos de oro reaccionaban con el cicloocteno, la molécula resultante proporcionó el intermediario necesario para producir la oxidación del etilbenceno.
"Las dos reacciones son totalmente independientes entre sí, ", Dijo Kung." Vimos que los nanoclusters de oro y el cicloocteno eran ineficaces para oxidar el etilbenceno por sí mismos. El contacto directo no provocó que la reacción prosiguiera. Por lo tanto, la reacción intermedia era necesaria ".
Al demostrar cómo los catalizadores normalmente ineficaces pueden volverse efectivos en una reacción a través de un intermediario, los investigadores creen que es posible diseñar sistemas que utilicen catalizadores que estén físicamente separados de un medio de reacción que de otro modo dañaría el catalizador. Este nuevo enfoque podría proporcionar una solución alternativa eficaz en la remediación ambiental, como limpiar un río contaminado, donde algunos componentes del agua pueden ser venenosos para el catalizador.
"Podría utilizar una membrana para separar el catalizador del medio, luego use el catalizador para generar un intermediario que pueda atravesar la membrana y degradar el contaminante de una manera más segura, "Dijo Kung.
El trabajo también abre la puerta a una mayor libertad en la producción química industrial. La capacidad de realizar reacciones paralelas acopladas sin las limitaciones de la estequiometría tradicional (las relaciones estrictas basadas en la cantidad entre los productos de reacción) podría hacer que los procesos industriales de co-oxidación de hidrocarburos fueran más versátiles. eficiente, y rentable. Estos procesos son vitales en la producción de gasolina y la conversión de gas natural en combustible líquido y otros productos químicos.
El siguiente paso del equipo de investigación es determinar la reactividad del oro frente a otros hidrocarburos de diferente fuerza de unión. También esperan saber si un fenómeno similar se puede aplicar a otros metales, como plata o cobre.
"Aún no hemos llegado a ese punto, pero una vez que entendemos la relación entre la reactividad de los racimos de oro hacia los hidrocarburos y la fuerza de los enlaces, podremos predecir y diseñar otros sistemas de reacción química, "Dijo Kung.