کشف شگفت آور می تواند منجر به بهبود کاتالیزورهای بهبود یافته برای واکنش های صنعتی شود | اخبار MIT

فرآیند کاتالیز – که در آن ماده واکنش شیمیایی را تسریع می کند – برای تولید بسیاری از مواد شیمیایی مورد استفاده در زندگی روزمره ما بسیار مهم است. اما اگرچه این فرایندهای کاتالیزوری گسترده است ، محققان اغلب درک روشنی از نحوه کار ندارند.

تجزیه و تحلیل جدید محققان MIT نشان داده است که یک فرآیند مهم سنتز صنعتی ، تولید وینیل استات ، به یک کاتالیزور نیاز دارد که دو شکل مختلف را به خود اختصاص می دهد که از یک به جلو و بیرون حرکت می کنند در حالی که فرآیند شیمیایی توسعه می یابد.

قبلاً تصور می شد فقط یکی از دو شکل مورد نیاز است. اکتشافات جدید امروز در مجله منتشر شده است علمدر MIT DEIAA HARRAZ و KUNAL LODAYA ​​، BRYAN TANG PHD ’23 ، استاد یوگ های شیمی و مهندسی شیمی ، Surentranath ، فارغ التحصیلان.

دو کلاس گسترده کاتالیزور وجود دارد: کاتالیزورهای همگن ، که از مولکول های محلول و کاتالیزورهای ناهمگن تشکیل شده اند ، که مواد متراکم هستند که سطح آنها جایگاه واکنش شیمیایی را فراهم می کند. سورندرات می گوید: “طولانی ترین زمان ، یک عقیده کلی وجود دارد که یا در مورد این سطوح ، یا کاتالیز رخ می دهد یا اتفاق می افتد که در این مولکول های محلول اتفاق می افتد.” اما مطالعه جدید نشان می دهد که در مورد وینیل استات – ماده مهمی که وارد بسیاری از محصولات پلیمری مانند تایر در کف کفش های شما می شود – بین دو طبقه کاتالیز تعامل وجود دارد.

سورندرات توضیح می دهد: “آنچه پیدا کردیم ، این است که شما در واقع این مواد فلزی جامد را دارید که به مولکول تبدیل می شوند و سپس به یک رقص چرخه ای تبدیل می شوند.”

وی می افزاید: “این کار این الگوی را زیر سوال می برد ، که یا یک رایحه از کاتالیز یا دیگری دارد. در واقع ، ممکن است در موارد خاص تعامل بین این دو وجود داشته باشد ، و این می تواند برای یک فرایند انتخابی و مؤثر واقعاً سودآور باشد.”

سنتز وینیل استات از دهه 1960 یک واکنش صنعتی در مقیاس بزرگ بوده است و طی سالها به خوبی مورد مطالعه و تصفیه قرار گرفته است. محققان می گویند ، این اتفاق تا حد زیادی از طریق رویکردی برای آزمایش و اشتباهات ، بدون درک دقیق از مکانیسم های اصلی اتفاق افتاد.

در حالی که شیمی دانان غالباً با مکانیسم های کاتالیز همگن آشنا هستند ، و مهندسان شیمی اغلب با مکانیسم های کاتالیز سطح آشنا هستند ، محققان کمتری هر دو را مطالعه می کنند. این احتمالاً بخشی از دلایلی است که پیچیدگی کامل این واکنش قبلاً ضبط نشده است. اما هارارا می گوید که او و همکارانش در رابط بین رشته ها کار می کنند. وی می گوید: “ما توانسته ایم از هر دو طرف این واکنش قدردانی کنیم و دریابیم که هر دو نوع کاتالیز بسیار مهم هستند.”

واکنشی که وینیل استات تولید می کند ، به چیزی برای فعال کردن مولکول های اکسیژن ، که یکی از مواد تشکیل دهنده واکنش است ، نیاز دارد و چیز دیگری برای فعال کردن سایر مواد ، اسید استیک و اتیلن است. محققان دریافتند که شکل کاتالیزوری که برای یک بخش از فرآیند بهتر کار می کند برای دیگری بهترین نیست. به نظر می رسد که شکل مولکولی کاتالیزور باعث می شود شیمی کلیدی با اتیلن و اسید استیک ، در حالی که سطح در نهایت اکسیژن را فعال می کند.

آنها دریافتند که فرآیند اصلی درگیر در تعامل دو شکل کاتالیزور در واقع خوردگی است ، مشابه روند زنگ زدگی. Surendrana می گوید: “معلوم است که در زنگ زدگی ، شما در واقع گونه های مولکولی محلول را در جایی از دنباله می گذرانید.”

این تیم تکنیک هایی را وام گرفته است که به طور سنتی در مطالعه خوردگی برای مطالعه روند استفاده می شود. آنها از ابزارهای الکتروشیمیایی برای مطالعه واکنش استفاده کردند ، اگرچه واکنش کلی نیازی به تحویل برق ندارد. محققان با انجام اندازه گیری های بالقوه ، مشخص کرده اند که خوردگی مواد کاتالیزور پالادیوم به یون های محلول محلول توسط یک واکنش الکتروشیمیایی با اکسیژن هدایت می شود و آن را به آب تبدیل می کند. لودایا می گوید ، خوردگی “یکی از قدیمی ترین مباحث مربوط به الکتروشیمی” است ، اما استفاده از علم خوردگی برای درک کاتالیز بسیار جدیدتر است و برای اکتشافات ما ضروری بود. “

محققان با مقایسه اندازه گیری های خوردگی کاتالیزور با سایر اندازه گیری های واکنش شیمیایی که انجام می شود ، محققان اظهار داشتند که میزان خوردگی واکنش کلی را محدود می کند. سورندرانا می گوید: “این خفگی است که سرعت روند کلی را کنترل می کند.”

تعامل بین دو نوع کاتالیز به طور مؤثر و انتخابی “زیرا در واقع از هم افزایی سطح مواد استفاده می کند ، آنچه را که در آن خوب است ، انجام می دهد و مولکول برای انجام آنچه خوب است”. این یافته حاکی از آن است که هنگام طراحی کاتالیزورهای جدید ، به جای تمرکز روی مواد جامد یا فقط مولکول های محلول ، محققان باید در مورد چگونگی تعامل هر دو می توانند رویکردهای جدید را باز کنند.

هازرا می گوید: “اکنون ، با درک بهتر از آنچه این کاتالیزور را بسیار مؤثر می کند ، می توانید سعی کنید مواد خاص یا رابط های خاصی را که باعث شیمی مورد نظر می شود ، طراحی کنید.” از آنجا که این فرآیند تا مدت طولانی انجام شده است ، این اکتشافات ممکن است لزوماً منجر به پیشرفت در این فرآیند خاص ایجاد وینیل استات نشود ، اما درک بهتری از این که چرا مواد کار می کنند و همچنین می تواند منجر به پیشرفت در سایر فرآیندهای کاتالیزوری شود ، فراهم می کند.

لودایا می گوید: “کاتالیزورها می توانند بین یک مولکول و ماده و برعکس عبور کنند ، و نقشی که الکتروشیمی در این تحولات ایفا می کند ، مفهومی است که ما واقعاً از گسترش آن هیجان زده هستیم.”

هازرا می افزاید: “با این درک جدید ، هر دو نوع کاتالیز می توانند نقشی داشته باشند ، چه فرآیندهای کاتالیزوری دیگری وجود دارد ، که در واقع هر دو را شامل می شود؟ شاید اینها فضای پیشرفت زیادی داشته باشند که با این درک قابل استفاده است.”

کریستوف مس ، استاد شیمی معدنی در ETH زوریخ که مربوط به این مطالعه نبود ، می گوید: “این کار” روشنایی است ، چیزی که ارزش تدریس در سطح لیسانس دارد. “کار بر روشهای جدید تفکر تأکید دارد. … [It] از این نظر قابل توجه است که نه تنها با کاتالیز همگن و ناهمگن آشتی می کند ، بلکه این فرآیندهای پیچیده را به عنوان نیمی از واکنش ها توصیف می کند که در آن انتقال الکترونیکی می تواند بین اشخاص فردی حرکت کند. “

این مطالعه تا حدودی توسط بنیاد علمی ملی به عنوان مرکز فاز اول نوآوری شیمیایی پشتیبانی شد. مرکز یونی interphase ؛ و بنیاد گوردون و بتی مور.