Kimyasal Reaksiyonların Verimliliğini Arttıran Gizemli Organik Köpük
Kimyasal üreticileri, ilaç ve plastik gibi kimyasalların yapımı için sıklıkla alkol ve benzen gibi toksik çözücüler kullanırlar. Araştırmacılar, bu ürünleri oluşturan kimyasal reaksiyonlarda gözden kaçan ve yanlış anlaşılan bir olguyu inceliyorlar. Bu buluş, katalitik kimya hakkında yeni bir temel bakış açısı kazandırıp; kimyasal üretimini çevreye daha duyarlı hale getirebilecek pratik uygulamalara bir basamak oluşturuyor.
Illinois Üniversitesi Urbana-Champaign araştırmacısı David Flaherty, Twin Cities araştırmacısı Matthew Neurock ve Virginia Tech araştırmacısı Ayman Karim tarafından yürütülen çalışma Science dergisinde yayınlandı.
Çözücülerle metal nanopartikülleri birleştirmek, çoğu kimyasal reaksiyonu hızlandırır ve kimya endüstrisi için verimi ve kar marjlarını en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olur. Fakat araştırmacılar, birçok çözücünün toksik olduğunu ve güvenli bir şekilde uzaklaştırılmasının zorlu olduğunu açıkladılar. Su da çözücü olarak kullanılabilir, ancak organik çözücüler kadar verimli tepkimeler gerçekleştirmez. Bu farklılığı oluşturan nedenin bazı reaktanların sudaki sınırlı çözünürlüğü olduğu düşünülüyordu. Bununla birlikte, deneysel verilerdeki düzensizlik, ekibin bu farklılıkların nedenlerinin gözden kaçtığını fark etmesine neden oldu.
Süreci daha iyi anlamak için araştırma ekibi, oksijenin hidrojen peroksite indirgenmesini analiz etmek için birinci sette su, ikinci sette metanol ve diğer setlerde su-metanol karışımları kullanarak deneyler yaptı. Tüm deneylerde paladyum nanopartiküller kullanıldı.
Illinois’de kimya ve biyomoleküler mühendisliği profesörü olan Flaherty, “Metanol ile yapılan deneylerde, nanopartiküllerin yüzeyinde organik kalıntı veya köpük bırakan çözücünün kendiliğinden ayrıştığını gözlemledik. Bazı durumlarda, kalıntı nanopartiküllere bağlanır ve reaksiyonları engellemek yerine tepkime hızını ve oluşan hidrojen peroksit miktarını arttırır.” dedi.
Araştırma ekibi, kalıntının hidroksimetil gibi önemli bir bileşenin de dahil olduğu oksijen içeren türlerden olduğunu buldu. Çalışma raporlarına göre, paladyum nanopartiküllerinin yüzeyinde birikiyor ve yeni kimyasal reaksiyon yolları açıyor.
Flaherty “Kalıntı oluştuktan sonra, artık katalitik döngünün bir parçası haline gelir. Büyük ihtimalle, bu reaksiyon üzerinde son 40 yılda kullanılmış olan çözücüler arasındaki verimlilik farklarının bir kısmından sorumludur. Çalışmamız, bu yüzey redoks mediyatörlerinin alkol çözücülerde oluştuğuna ve bu kimya için birçok gizemin açıklanabileceğine dair güçlü kanıtlar sağlıyor.” dedi.
Ekip, çeşitli deneyler ve simülasyonlarla araştırmalar yaparak, bu redoks mediyatörlerinin hem protonları hem de elektronları etkili bir şekilde reaktanlara aktardığını; saf sudaki reaksiyonların ise protonları kolayca aktarıp elektronları transfer etmediğini öğrendi. Çalışma raporlarına göre, bu aracılar nanopartiküllerin yüzeyini, proton ve elektron transferi için aşılması gereken enerji bariyerini azaltacak şekilde değiştiriyor.
Neurock, “Alkol çözücülerin yanı sıra organik katkı maddelerinin, vücudumuzdaki enzimatik kofaktörlerin yükseltgeme ve indirgeme reaksiyonlarını katalize ettiği gibi metale bağlı yüzey mediyatörleri oluşturmak için reaksiyona girebileceğini gösteriyoruz” dedi.
Ek olarak, bu çalışmanın kimya endüstrisinde kullanılan çözücü ve üretilen atık miktarlarının azaltılmasına yönelik etkileri olabilir.
Flaherty, “Araştırmamız, bazı durumlarda kimyasal üreticilerinin, bu reaktörler aracılığıyla binlerce galon organik çözücü pompalamak yerine, saf suya küçük miktarlarda katkı maddesi ekleyerek yüzey redoks mediyatörlerini oluşturabileceklerini gösteriyor” dedi.
Kaynak: scitechdaily.com
