顆粒在線訊：由麻省理工學(xué)院(MIT)化學(xué)家設(shè)計(jì)的一種新型光氧化催化劑可能使其更容易將光驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)納入連續(xù)流動(dòng)的制造過(guò)程。關(guān)鍵是它們的不溶性，這使得它們能被反復(fù)使用。

光驅(qū)動(dòng)的化學(xué)反應(yīng)為化學(xué)家開(kāi)發(fā)生產(chǎn)藥品和其他重要分子的新方法提供了一個(gè)強(qiáng)有力的工具。通過(guò)利用這種光能需要光氧化催化劑，它可以吸收光并將能量轉(zhuǎn)移到化學(xué)反應(yīng)中。

現(xiàn)在，MIT的化學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種新型的光氧化催化劑，它可以使光驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)更容易被納入制造過(guò)程中。跟大多數(shù)現(xiàn)有的光氧化催化劑不同，這一類新材料是不溶的，這意味著它們可以反復(fù)使用。這種催化劑可以用來(lái)涂在管子上并在反應(yīng)物流經(jīng)管子時(shí)對(duì)其進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化。

“能回收催化劑是能在制造業(yè)中使用光氧化催化的最大挑戰(zhàn)之一，它需要克服，”MIT博士后、這項(xiàng)新研究的共同第一作者Richard Liu說(shuō)道，“我們希望通過(guò)能用固定化的催化劑進(jìn)行流動(dòng)化學(xué)反應(yīng)，我們可以提供一種新的方式來(lái)進(jìn)行更大規(guī)模的光氧化催化?！?/p>

據(jù)了解，這種新催化劑可以被調(diào)整以進(jìn)行許多不同類型的反應(yīng)，另外它也可以被納入其他材料中--包括紡織品或顆粒。

據(jù)悉，MIT John D. MacArthur化學(xué)教授Timothy Swager是這篇論文的資深作者，該論文于2022年5月27日發(fā)表在《自然通訊》上。另外，該學(xué)院的研究科學(xué)家Sheng Guo和研究生Shao-Xiong Lennon Luo也是該論文的作者。

混合材料

光氧化劑催化劑的工作原理是吸收光子，然后利用光能為化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力，這類似于植物細(xì)胞中的葉綠素如何從太陽(yáng)吸收能量并利用它來(lái)構(gòu)建糖分子。

化學(xué)家們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了兩大類光氧化催化劑，它們被稱為同質(zhì)催化劑和異質(zhì)催化劑。同質(zhì)催化劑通常由有機(jī)染料或吸光金屬?gòu)?fù)合物組成。這些催化劑很容易調(diào)整以進(jìn)行特定的反應(yīng)，但缺點(diǎn)是它們會(huì)溶解在發(fā)生反應(yīng)的溶液中。這意味著它們不易被移除并再次使用。

另一方面，異質(zhì)催化劑是形成片狀或三維結(jié)構(gòu)的固體礦物或結(jié)晶材料。這些材料不會(huì)溶解，所以它們可以多次使用。然而這些催化劑更難調(diào)整以實(shí)現(xiàn)所需的反應(yīng)。

為了結(jié)合這兩類催化劑的優(yōu)點(diǎn)，研究人員決定將構(gòu)成均質(zhì)催化劑的染料嵌入到一種固體聚合物中。為了這一應(yīng)用，研究人員改造了一種類似塑料的聚合物，它具有微小的孔隙。在這項(xiàng)研究中，研究人員證明他們可以將約十幾種不同的同質(zhì)催化劑納入到他們的新混合材料中，但他們相信它可以工作得更多。

Liu說(shuō)道：“這些混合催化劑具有異質(zhì)催化劑的可回收性和耐久性，但也具有同質(zhì)催化劑的精確可調(diào)性。你可以在不失去化學(xué)活性的情況下加入染料，因此，你可以或多或少地從已經(jīng)知道的數(shù)以萬(wàn)計(jì)的光氧化反應(yīng)中挑選并得到你需要的催化劑的不溶性等價(jià)物。”

研究人員發(fā)現(xiàn)，將催化劑納入聚合物還有助于它們變得更有效率。原因之一是，反應(yīng)物分子可以被容納在聚合物的孔隙中，隨時(shí)準(zhǔn)備反應(yīng)。此外，光能可以很容易地沿著聚合物移動(dòng)找到等待的反應(yīng)物。

Swager說(shuō)道：“新的聚合物結(jié)合了溶液中的分子并有效地預(yù)先集中它們以進(jìn)行反應(yīng)。另外，激發(fā)態(tài)可以在整個(gè)聚合物中迅速遷移。激發(fā)態(tài)的移動(dòng)性和反應(yīng)物在聚合物中的分區(qū)相結(jié)合，這使得反應(yīng)比純?nèi)芤哼^(guò)程中可能發(fā)生的反應(yīng)更快、更有效?！?/p>

更高的效率

研究人員還表明，他們可以根據(jù)他們想要使用催化劑的應(yīng)用來(lái)調(diào)整聚合物骨架的物理特性，其中包括其厚度和孔隙度。

作為一個(gè)例子，他們表明，他們可以制造出能粘附在氟化管上的氟化聚合物，而氟化管通常用于連續(xù)流制造。在這種類型的制造過(guò)程中，化學(xué)反應(yīng)物流經(jīng)一系列的管子，同時(shí)加入新的成分或進(jìn)行其他步驟，如純化或分離。

目前，將光氧化反應(yīng)納入連續(xù)流動(dòng)過(guò)程是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榇呋瘎┖芸炀蜁?huì)用完，所以必須不斷向溶液中添加。將麻省理工學(xué)院設(shè)計(jì)的新催化劑納入用于這種生產(chǎn)的管道中，可以使光氧化反應(yīng)在連續(xù)流動(dòng)中進(jìn)行。這種管子是透明的，其允許來(lái)自LED的光線到達(dá)催化劑并激活它們。

“我們的想法是讓催化劑涂在管子上，所以你可以讓你的反應(yīng)流過(guò)管子，而催化劑保持不動(dòng)。這樣一來(lái)，你永遠(yuǎn)不會(huì)在產(chǎn)品中看到催化劑，而且你還可以得到更高的效率，”Liu說(shuō)道。

此外，催化劑還可以用來(lái)涂抹磁珠，從而使它們?cè)诜磻?yīng)完成后更容易從溶液中拉出來(lái)或涂抹在反應(yīng)瓶或紡織品上。研究人員現(xiàn)在正在努力將更多種類的催化劑納入他們的聚合物中并對(duì)聚合物進(jìn)行工程設(shè)計(jì)以優(yōu)化它們的不同可能應(yīng)用。