Los fabricantes de productos químicos utilizan con frecuencia disolventes tóxicos como alcoholes y benceno para fabricar productos como productos farmacéuticos y plásticos. Los investigadores están examinando un fenómeno previamente pasado por alto e incomprendido en las reacciones químicas utilizadas para fabricar estos productos. Este descubrimiento aporta una nueva comprensión fundamental de la química catalítica y un trampolín hacia aplicaciones prácticas que algún día podrían hacer que la fabricación de productos químicos sea menos derrochadora y más ecológica.

El estudio dirigido por el investigador de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, David Flaherty, Universidad de Minnesota, El investigador de Twin Cities Matthew Neurock y el investigador de Virginia Tech Ayman Karim se publican en la revista Ciencias .

La combinación de disolventes y nanopartículas metálicas acelera muchas reacciones químicas y ayuda a maximizar el rendimiento y los márgenes de beneficio para la industria química. Sin embargo, Muchos disolventes son tóxicos y difíciles de eliminar de forma segura. dijeron los investigadores. Obras de agua, también, pero no es tan eficaz o fiable como los disolventes orgánicos. Se pensó que la razón de la diferencia era la limitada solubilidad de algunos reactivos en agua. Sin embargo, múltiples irregularidades en los datos experimentales han llevado al equipo a darse cuenta de que las razones de estas diferencias no se entendían completamente.

Para comprender mejor el proceso, el equipo llevó a cabo experimentos para analizar la reducción de oxígeno a peróxido de hidrógeno, un conjunto con agua, otro con metanol, y otros con mezclas de agua y metanol. Todos los experimentos utilizaron nanopartículas de paladio.

"En experimentos con metanol, observamos descomposición espontánea del solvente que deja un residuo orgánico, o escoria, en la superficie de las nanopartículas, "dijo Flaherty, profesor de ingeniería química y biomolecular en Illinois. "En algunos casos, el residuo en forma de espuma se adhiere a las nanopartículas y aumenta las velocidades de reacción y la cantidad de peróxido de hidrógeno formado en lugar de obstaculizar la reacción. Esta observación nos hizo preguntarnos cómo podría estar ayudando ".

El equipo descubrió que el residuo, o mediador redox de superficie, contiene especies que contienen oxígeno, incluyendo un componente clave hidroximetilo. Se acumula en la superficie de las nanopartículas de paladio y abre nuevas vías de reacción química, los informes del estudio.

"Una vez formado, el residuo se convierte en parte del ciclo catalítico y probablemente sea responsable de algunas de las diferentes eficiencias entre los solventes reportados durante los últimos 40 años de trabajo en esta reacción, ", Dijo Flaherty." Nuestro trabajo proporciona una fuerte evidencia de que estos mediadores redox superficiales se forman en disolventes alcohólicos y que pueden explicar muchos misterios pasados ​​de esta química ".

Al trabajar con múltiples tipos de experimentos y simulaciones computacionales, el equipo descubrió que estos mediadores redox transfieren de manera efectiva tanto protones como electrones a los reactivos, mientras que las reacciones en agua pura transfieren protones fácilmente, pero no electrones. Estos mediadores también alteran la superficie de las nanopartículas de una manera que reduce la barrera de energía que se debe superar para la transferencia de protones y electrones. los informes del estudio.

"Demostramos que los disolventes de alcohol, así como los aditivos orgánicos, pueden reaccionar para formar mediadores de superficie unidos a metales que actúan de la misma manera que lo hacen los cofactores enzimáticos de nuestro cuerpo para catalizar reacciones de oxidación y reducción, "Dijo Neurock.

Adicionalmente, este trabajo puede tener implicaciones para reducir las cantidades de solvente utilizado y los desechos generados en la industria química.

"Nuestra investigación sugiere que, en algunas situaciones, Los productores químicos podrían formar los mediadores redox de superficie agregando pequeñas cantidades de un aditivo al agua pura en lugar de bombear miles de galones de solventes orgánicos a través de estos reactores. "Dijo Flaherty.