Překvapivý objev může vést k lepším katalyzátorům pro průmyslové reakce

Proces katalýzy – kdy materiál urychluje chemickou reakci – je klíčový pro výrobu mnoha chemikálií používaných v každodenním životě. Přestože jsou katalytické procesy rozšířené, výzkumníci často nemají jasnou představu o tom, jak přesně fungují.

Nová analýza výzkumníků z MIT ukázala, že důležitý průmyslový syntetický proces, výroba vinyl acetátu, vyžaduje, aby katalyzátor zaujímal dvě různé formy, které se během chemického procesu cyklicky střídají.

Předtím se předpokládalo, že je potřeba pouze jedna ze dvou forem. Nové poznatky jsou publikovány v časopise Science v článku absolventů MIT Deiaa Harraza a Kunala Lodayi, Bryana Tanga (PhD '23) a profesora chemie a chemického inženýrství Yogeshe Surendrathaha.

Existují dvě široké třídy katalyzátorů: homogenní katalyzátory, které se skládají z rozpuštěných molekul, a heterogenní katalyzátory, které jsou pevné materiály, jejichž povrch poskytuje místo pro chemickou reakci. „Nejdéle,“ říká Surendranath, „panoval obecný názor, že katalýza probíhá buď na těchto površích, nebo na těchto rozpustných molekulách.“ Nový výzkum však ukazuje, že v případě vinyl acetátu – důležitého materiálu, který se používá v mnoha polymerních produktech, jako je guma v podrážkách bot – existuje vzájemné působení obou tříd katalýzy.

„Zjistili jsme,“ vysvětluje Surendranath, „že tyto pevné kovové materiály se skutečně přeměňují na molekuly a poté se zpět přeměňují na materiály v cyklickém tanci.“

Dodává: „Tato práce zpochybňuje paradigma, kde existuje buď jedna forma katalýzy, nebo druhá. Ve skutečnosti by v některých případech mohlo docházet ke vzájemnému působení obou a to by mohlo být velmi výhodné pro selektivní a efektivní proces.“

Syntéza vinyl acetátu je rozsáhlou průmyslovou reakcí od 60. let 20. století a v průběhu let byla dobře prozkoumána a zdokonalena tak, aby se zlepšila její efektivita. To se dělo do značné míry metodou pokusů a omylů, bez přesného pochopení základních mechanismů, jak tvrdí výzkumníci.

Chemici se často lépe seznamují s mechanismy homogenní katalýzy a chemické inženýrství se často lépe seznámí s mechanismy povrchové katalýzy, ale méně výzkumníků studuje obojí. To je možná důvod, proč nebyla předtím zachycena plná komplexnost této reakce. Harraz však říká, že on a jeho kolegové pracují na rozhraní obou oborů. „Dokázali jsme ocenit obě strany této reakce a zjistili jsme, že oba typy katalýzy jsou kritické,“ říká.

Reakce, která produkuje vinyl acetát, vyžaduje něco, co aktivuje molekuly kyslíku, které jsou jednou ze složek reakce, a něco jiného, co aktivuje další složky, kyselinu octovou a ethylen. Výzkumníci zjistili, že forma katalyzátoru, která nejlépe fungovala pro jednu část procesu, nebyla nejlepší pro druhou. Ukázalo se, že molekulární forma katalyzátoru provádí klíčovou chemii s ethylenem a kyselinou octovou, zatímco povrch nakonec aktivuje kyslík.

Zjistili, že základní proces zahrnující vzájemnou přeměnu dvou forem katalyzátoru je ve skutečnosti koroze, podobně jako proces rzi. „Ukázalo se, že při rzi se ve sledu někde objevují rozpustné molekulární druhy,“ říká Surendranath.

Tým si vypůjčil techniky tradičně používané ve výzkumu koroze ke studiu procesu. Použili elektrochemické nástroje ke studiu reakce, i když celková reakce nevyžaduje dodávku elektřiny. Měřením potenciálu výzkumníci zjistili, že koroze palladiového katalytického materiálu na rozpustné palladiumní ionty je řízena elektrochemickou reakcí s kyslíkem, která ho přeměňuje na vodu. Koroze je „jedním z nejstarších témat v elektrochemii,“ říká Lodaya, „ale použití vědy o korozi k pochopení katalýzy je mnohem novější a bylo zásadní pro naše zjištění.“

Korelací měření koroze katalyzátoru s dalšími měřeními probíhající chemické reakce výzkumníci navrhli, že rychlost koroze omezuje celkovou reakci. „To je úzké místo, které řídí rychlost celého procesu,“ říká Surendranath.

Vzájemné působení obou typů katalýzy funguje efektivně a selektivně, „protože ve skutečnosti využívá synergie materiálového povrchu, který dělá to, v čem je dobrý, a molekuly, která dělá to, v čem je dobrá,“ říká Surendranath. Zjištění naznačují, že při navrhování nových katalyzátorů by se výzkumníci neměli zaměřovat pouze na pevné materiály nebo rozpustné molekuly, ale měli by přemýšlet o tom, jak vzájemné působení obou může otevřít nové přístupy.

„Nyní, s lepším porozuměním toho, co dělá tento katalyzátor tak účinným, se můžete pokusit navrhnout specifické materiály nebo specifická rozhraní, která podporují požadovanou chemii,“ říká Harraz. Protože na tomto procesu se pracuje tak dlouho, tato zjištění nemusí nutně vést ke zlepšení tohoto specifického procesu výroby vinyl acetátu, ale poskytují lepší pochopení toho, proč materiály fungují tak, jak fungují, a mohly by vést ke zlepšení dalších katalytických procesů.

Porozumění tomu, že „katalyzátory mohou přecházet mezi molekulou a materiálem a zpět a roli, kterou při těchto transformacích hraje elektrochemie, je koncept, který se velmi těšíme rozšířit,“ říká Lodaya.

Harraz dodává: „S tímto novým porozuměním, že oba typy katalýzy by mohly hrát roli, jaké další katalytické procesy existují, které ve skutečnosti zahrnují obojí? Možná mají mnoho prostoru pro zlepšení, které by mohlo těžit z tohoto porozumění.“

Tato práce je „osvětlující, něco, co bude stát za to učit na bakalářské úrovni,“ říká Christophe Coperet, profesor anorganické chemie na ETH Zurich, který se na výzkumu nepodílel. „Práce zdůrazňuje nové způsoby myšlení. … [Je] pozoruhodná v tom smyslu, že nejen usmiřuje homogenní a heterogenní katalýzu, ale popisuje tyto komplexní procesy jako poloviční reakce, kde přenosy elektronů mohou cyklovat mezi různými entitami.“

Výzkum byl částečně podpořen Národní vědeckou nadací jako fáze I Centra pro chemické inovace; Centrem pro mezifázovou ioniku; a Nadací Gordona a Betty Mooreových.