Sayap Kupu-kupu Menginspirasi Terobosan dalam Desain Katalis

Para peneliti memperluas cara untuk meningkatkan selektivitas reaksi katalitik.

Para peneliti dari Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Harvard Department of Chemistry & Chemical Biology, dan Utrecht University telah melaporkan cara yang sebelumnya sulit dipahami untuk meningkatkan selektivitas reaksi katalitik, dengan menambahkan metode baru untuk meningkatkan kemanjuran katalis. untuk berbagai aplikasi yang berpotensi luas di berbagai industri termasuk farmasi, kosmetik, dan banyak lagi.

Penelitian tersebut akan dipublikasikan hari ini (16 Februari) di Katalisis Alami.

Tantangan dalam Proses Katalitik

Industri kimia bergantung pada katalis untuk lebih dari 90 persen prosesnya dan hampir semua katalis ini terdiri dari nanopartikel yang tersebar pada substrat. Para peneliti telah lama menduga bahwa ukuran masing-masing nanopartikel dan jarak antara mereka memainkan peran penting dalam kecepatan, dan produk yang dihasilkan dalam, reaksi katalitik, namun karena nanopartikel cenderung bergerak dan menggumpal selama katalisis, maka sulit untuk mempelajarinya. ini. tepatnya bagaimana.

Selama dekade terakhir, Joanna Aizenberg, Profesor Ilmu Material Amy Smith Berylson dan Profesor Kimia & Biologi Kimia, dan laboratoriumnya telah mendapatkan inspirasi dari alam untuk menciptakan bahan berpori dan terorganisir dengan baik untuk berbagai reaksi katalitik. Terinspirasi oleh struktur sayap kupu-kupu, para peneliti merancang platform katalis baru yang memasukkan sebagian nanopartikel ke dalam substrat, menjebaknya sehingga tidak bergerak selama katalisis, sekaligus membiarkan sisa permukaan nanopartikel terbuka, sehingga memungkinkan mereka untuk membawa. keluar aktivitas mereka. reaksi katalitik secara efisien dan tanpa aglomerasi.

Meningkatkan Selektivitas Reaksi

Para peneliti menemukan bahwa jarak antar partikel berdampak besar pada selektivitas reaksi.

“Banyak reaksi kimia yang relevan dengan industri mengikuti urutan di mana bahan kimia A diubah menjadi bahan kimia B yang kemudian dapat diubah menjadi bahan kimia C dan seterusnya,” kata Kang Rui Garrick Lim, seorang mahasiswa pascasarjana di Lab Aizenberg dan penulis pertama studi tersebut. . . “Dalam beberapa proses katalitik, tujuannya adalah bahan kimia antara, bahan kimia B, sedangkan dalam proses lain, bahan kimia tersebut adalah produk akhir, bahan kimia C. Selektivitas katalis mengacu pada apakah katalis mendukung produksi bahan kimia B atau bahan kimia C.”

Contoh yang baik adalah produksi benzil alkohol, bahan kimia yang digunakan dalam segala hal mulai dari lak, cat, dan produksi kulit hingga obat-obatan intravena, kosmetik, dan obat topikal.

Benzil alkohol adalah bahan kimia perantara B, yang berasal dari hidrogenasi benzaldehida (bahan kimia A), sebelum reaksi menghasilkan toluena (bahan kimia C), bahan kimia lain yang umum digunakan tetapi nilainya lebih rendah. Untuk memproduksi benzil alkohol secara efisien, pembentukan toluena perlu ditekan.

Saat ini, untuk membuat benzil alkohol lebih bermanfaat, reaksi hidrogenasi katalitik diperlambat, atau tidak dilanjutkan hingga selesai, untuk memastikan bahwa reaksi akan berhenti di B dan membentuk toluena sesedikit mungkin.

“Umumnya, untuk membuat zat antara kimia ini, Anda membuat katalis menjadi kurang reaktif dan keseluruhan reaksi menjadi lebih lambat, sehingga tidak produktif sama sekali,” kata Lim. “Katalis dimaksudkan untuk mempercepat, bukan memperlambatnya.”

Implikasi dan Arah Masa Depan

Para peneliti mendemonstrasikan platform mereka dalam pembentukan katalitik benzil alkohol. Lim dan tim menemukan bahwa ketika nanopartikel logam katalitik ditempatkan lebih jauh pada substrat, reaksinya lebih selektif terhadap benzil alkohol, bahan kimia perantara. Ketika nanopartikel lebih berdekatan, reaksinya lebih selektif terhadap toluena, produk akhir. Mengingat bahwa jarak antar-nanopartikel dapat dikontrol secara sintetis menggunakan platform katalis yang terinspirasi oleh bio, penelitian ini menunjukkan bahwa platform katalis yang sama dapat dengan mudah diadaptasi untuk berbagai produk kimia antara atau produk akhir.

““Katalisis sangat penting dalam produksi berbagai macam bahan penting yang digunakan dalam obat-obatan, produk konsumen, dan dalam pembuatan banyak produk yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari,” kata Aizenberg.

“Menambahkan alat peningkat selektivitas ini ke dalam gudang senjata kimia sangatlah penting. Hal ini akan memungkinkan adaptasi proses katalitik yang lebih efektif, penggunaan bahan mentah yang lebih ekonomis disertai dengan pengurangan konsumsi energi dan timbulan limbah. Kami berharap ahli kimia akan menggunakan platform kami untuk lebih mengoptimalkan proses katalitik baru dan yang sudah ada.”

Selanjutnya, tim akan menggunakan platform yang sama untuk memahami bagaimana ukuran nanopartikel mempengaruhi reaksi pada jarak tetap antar nanopartikel.

Referensi: 16 Februari 2024, Katalisis Alami.
DOI: 10.1038/s41929-023-01104-1

Kantor Pengembangan Teknologi Harvard telah melindungi kekayaan intelektual laboratorium Profesor Aizenberg, yang merupakan teknologi yang mendasari penelitian ini.

Penelitian ini ditulis bersama oleh Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi ES van der Hoeven dan Michael Aizenberg. Hal ini sebagian didukung oleh Integrated Mesoscale Architectures for Sustainable Catalysis (IMASC), sebuah Pusat Penelitian Perbatasan Energi yang didanai oleh Departemen Energi AS, Kantor Sains, Ilmu Energi Dasar dengan nomor penghargaan DE-SC0012573 dan oleh Pengurangan Ancaman Pertahanan AS Badan (DTRA) dengan nomor penghargaan HDTR1211001612.