在不与催化剂直接接触的情况下加速化学反应

时间:2020-02-01 17:20 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

在不与催化剂直接接触的情况下加速化学反应

美国西北大学的一个研究小组发现了一种进行化学反应的新方法,这种方法不需要直接接触催化剂。

在典型的催化反应中,催化剂(提高化学反应速率的物质)和底物反应物必须存在于相同的介质中,并且彼此直接接触才能发生反应。研究小组的新系统演示了一种化学反应,这种化学反应是通过一种由单独的化学反应产生的中间体产生的。研究结果可应用于环境修复和燃料生产。

“提高我们对催化-中间反应关系的理解,可以极大地扩展催化反应的可能性,”麦考密克工程学院(McCormick School of Engineering)化学和生物工程教授Harold Kung说。“通过了解到化学反应可以在不直接接触催化剂的情况下进行,我们打开了一扇门,可以使用来自地球上丰富元素的催化剂来进行通常不会催化的反应。”

这项名为“非接触催化:Au簇促进环辛烯环氧化引发乙苯选择性氧化”的研究发表在1月31日的《科学进展》杂志上。化学与生物工程研究副教授Mayfair Kung是这篇论文的共同通讯作者。琳达·布罗德贝尔特(Linda Broadbelt)是萨拉·丽贝卡·罗兰(Sarah Rebecca Roland)的生化工程教授和研究副主任,她也参与了这项研究。

这项研究建立在先前研究的基础上,该团队研究了环辛烯的选择性氧化——一种使用金作为催化剂的碳氢化合物。研究表明,该反应是由溶金纳米团簇催化的。出乎意料的是,研究人员着手研究金团簇对其他碳氢化合物选择性氧化的催化效果。

利用他们开发的非接触催化系统(NCCS)平台,研究人员测试了金催化剂对乙苯的有效性。虽然乙苯在金团簇存在的情况下不会发生任何反应,但研究小组发现,当金团簇与环辛烯反应时,生成的分子为乙苯氧化提供了必要的中间体。

“这两种反应完全相互独立,”孔说。“我们发现金纳米团簇和环辛烯本身并不能氧化乙苯。直接接触并没有引起反应。因此,中间的反应是必要的。”

通过展示通常无效的催化剂是如何通过中间媒介在反应中变得有效的,研究人员相信有可能设计出使用催化剂的系统,这些催化剂从物理上与可能会伤害催化剂的反应介质分离。这种新方法可以在环境修复方面提供一种有效的变通方法,例如清理受污染的河流,其中的一些成分可能对催化剂有毒。

孔说:“你可以用一层膜把催化剂从介质中分离出来,然后用催化剂产生一种中间体,这种中间体可以穿过膜,以一种更安全的方式降解污染物。”

这项工作也为工业化学生产的更大自由打开了大门。不受传统化学计量学(反应产物之间严格的基于数量的关系)的限制而进行耦合平行反应的能力可以使工业烃共氧化过程更加灵活、高效和经济。这些过程在汽油的生产和将天然气转化为液体燃料和其他化学品方面是至关重要的。

研究小组的下一步是确定黄金对不同键强度的碳氢化合物的反应性。他们还希望了解类似的现象是否可以应用于其他金属,如银或铜。

孔说:“我们还没有完全做到这一点,但一旦我们理解了金团簇对碳氢化合物的反应活性和键强度之间的关系,我们就能够预测和设计其他的化学反应系统。”

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