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化学反应残留物实为催化剂:可替代大量工业溶剂以减少化学废料

2021-02-06 17:11 前瞻网   

对于化学制造商来说,将溶剂和金属纳米颗粒结合起来,可以加速许多化学反应,并帮助化工行业实现产量和利润率的最大化。然而许多溶剂都是有毒的,难以安全处置。经常使用酒精和苯等有毒溶剂来制造药品和塑料等产品已经导致大量的化学废物,对环境和生物产生了严重的危害。

事实上,水也可以作为溶剂进行反应,但它的效率和可靠性远不如有机溶剂。因为一些反应物在水中的溶解度有限。然而,研究团队的实验数据中显示的多种不规则现象使团队意识到水作为溶剂的潜力还没有被完全发掘出来。

由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究员David Flaherty、明尼苏达大学双城分校研究员Matthew Neurock和弗吉尼亚理工大学研究员Ayman Karim领导的这项研究发表在《科学》杂志上,题为《溶剂分子原位形成表面氧化还原介体,并共催化Pd上的O 2还原》(Solvent molecules form surface redox mediators in situ and cocatalyze O2 reduction on Pd)。

化学反应残留物实为催化剂:可替代大量工业溶剂以减少化学废料

为了更好地理解水作为溶剂的这一反应过程,该团队运行了一些实验来分析氧气还原成过氧化氢的过程:一组使用水,另一组使用甲醇,还有一些使用水和甲醇混合物。所有实验都使用了钯纳米颗粒。

在使用甲醇的实验中,研究团队观察到溶剂的自发分解,在纳米颗粒表面留下有机残留物,或渣滓。在某些情况下,渣滓状的残留物粘附在纳米颗粒上,增加了反应速率和形成的过氧化氢的量,而不是阻碍反应。

该残留物,或表面氧化还原介质,持有含氧物种,包括一个关键成分羟甲基。它积累在钯纳米颗粒的表面,并打开新的化学反应途径。

“一旦形成,残留物就会成为催化循环的一部分,很可能是过去40年关于该反应的工作中所报道的溶剂之间的一些不同效率的原因,”该论文的第一作者Flaherty说。“我们的工作提供了强有力的证据,证明这些表面氧化还原介质在醇类溶剂中形成,它们可能解释了这种化学反应过去的许多奥秘。”

研究表明,在某些情况下,化学品生产商可以通过在纯水中添加少量添加剂来形成表面氧化还原介质,而不是通过这些反应器泵送数千加仑的有机溶剂。这项工作对减少化学工业中溶剂的使用量和废物的产生将起到重要帮助。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

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责任编辑: 4114RWL

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