Terak organik misterius meningkatkan efisiensi reaksi kimia: penemuan tersebut dapat mengurangi dampak lingkungan dari produksi

Peneliti Illinois adalah bagian dari tim multi-lembaga yang menemukan bahwa pelarut bereaksi secara spontan dengan nanopartikel logam untuk membentuk kompleks reaktif yang dapat meningkatkan kinerja katalis dan secara bersamaan mengurangi dampak lingkungan dari pembuatan bahan kimia. Diterbitkan ulang dengan izin D. Flaherty et al., Science 371: 6529 (2021). Kredit: gambar milik Alex Jerez, Imaging Technology Group – Beckman Institute

Produsen bahan kimia sering menggunakan pelarut beracun seperti alkohol dan bensin untuk membuat produk seperti obat-obatan dan plastik. Para peneliti sedang memeriksa fenomena yang sebelumnya diabaikan dan disalahpahami dalam reaksi kimia yang digunakan untuk membuat produk ini. Penemuan ini membawa pemahaman baru yang mendasar tentang kimia katalitik dan landasan untuk aplikasi praktis yang suatu hari nanti dapat membuat pembuatan bahan kimia tidak terlalu boros dan lebih ramah lingkungan.

Studi yang dipimpin oleh David Flaherty, seorang peneliti di University of Illinois Urbana-Champaign di University of Minnesota, peneliti Twin Cities, Matthew Neurock, dan peneliti Virginia Tech Ayman Karim, diterbitkan dalam jurnal Science.

Kombinasi pelarut dan partikel nano logam mempercepat banyak reaksi kimia dan membantu memaksimalkan kinerja dan margin keuntungan industri kimia. Namun, banyak pelarut beracun dan sulit dihilangkan dengan aman, kata para peneliti. Air juga berfungsi, tetapi tidak seefektif atau seandal pelarut organik. Alasan perbedaan tersebut dianggap sebagai kelarutan terbatas dari beberapa reagen dalam air. Namun, beberapa ketidakteraturan dalam data eksperimen telah membuat tim menyadari bahwa alasan perbedaan ini tidak sepenuhnya dipahami.

Untuk lebih memahami prosesnya, tim melakukan eksperimen untuk menganalisis reduksi oksigen menjadi hidrogen peroksida: satu set dengan air, satu set dengan metanol, dan lainnya dengan campuran air dan metanol. Semua percobaan menggunakan nanopartikel paladium.

Tim Riset Misterius Sampah Organik UIUC

Mahasiswa pascasarjana Abinaya Sampath, kiri, dan Tomas Ricciardulli; profesor teknik kimia dan biomolekuler David Flaherty; dan mahasiswa pascasarjana Jason Adams. Kredit: Foto oleh L. Brian Stauffer

“Dalam percobaan dengan metanol, kami mengamati dekomposisi pelarut secara spontan yang meninggalkan residu organik atau terak pada permukaan partikel nano,” kata Flaherty, seorang profesor teknik kimia dan biomolekuler di Illinois. “Dalam beberapa kasus, residu seperti busa menempel pada nanopartikel dan meningkatkan laju reaksi serta jumlah hidrogen peroksida yang terbentuk alih-alih menghalangi reaksi. Pengamatan ini membuat kami bertanya-tanya bagaimana hal itu dapat membantu kami ”.

Tim menemukan bahwa residu, atau mediator redoks permukaan, spesies yang mengandung oksigen, termasuk komponen kunci hidroksimetil. Ini terakumulasi di permukaan nanopartikel paladium dan membuka jalur reaksi kimia baru, menurut penelitian.

“Setelah terbentuk, residu menjadi bagian dari siklus katalitik dan kemungkinan besar bertanggung jawab atas beberapa efisiensi pelarut berbeda yang dilaporkan selama 40 tahun terakhir pengerjaan reaksi ini,” kata Flaherty. “Pekerjaan kami memberikan bukti kuat bahwa mediator redoks permukaan ini terbentuk dalam pelarut alkohol dan dapat menjelaskan banyak misteri kimia ini di masa lalu.”

Dengan bekerja dengan berbagai jenis eksperimen dan simulasi komputasi, tim mempelajari bahwa mediator redoks ini secara efektif mentransfer proton dan elektron ke reagen, sedangkan reaksi dalam air murni mentransfer proton dengan mudah, tetapi tidak dengan elektron. Mediator ini juga mengubah permukaan nanopartikel sehingga mengurangi penghalang energi yang harus diatasi untuk transfer proton dan elektron, menurut penelitian.

“Kami menunjukkan bahwa pelarut alkohol dan aditif organik dapat bereaksi dengan membentuk mediator permukaan terikat logam yang bertindak dengan cara yang sama seperti yang dilakukan oleh kofaktor enzimatik tubuh kita dengan mengkatalisasi reaksi oksidasi dan reduksi,” kata Neurock.

Selain itu, pekerjaan ini mungkin berimplikasi pada pengurangan jumlah pelarut yang digunakan dan limbah yang dihasilkan dalam industri kimia.

“Penelitian kami menunjukkan bahwa untuk beberapa situasi, produsen bahan kimia dapat membentuk mediator redoks permukaan dengan menambahkan sejumlah kecil aditif air murni alih-alih memompa ribuan galon pelarut organik melalui reaktor ini,” katanya.

Referensi: “Molekul pelarut membentuk mediator redoks superfisial in situ dan mengkatalisis reduksi oksigen dalam Pd” oleh Jason S. Adams, Ashwin Chemburkar, Pranjali Priyadarshini, Tomas Ricciardulli, Yubing Lu, Vineet Maliekkal, Abinaya Sampath, Stuart Winikoff, Ayman M. Karim, Matthew Neurock dan David W. Flaherty, 5 Februari 2020, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abc1339

Institut Energi dan Biosains melalui program EBI-Shell dan National Science Foundation mendukung penelitian ini.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Topan Super Surigae menyulut Pasifik

19 April 2021 Topan super mencapai intensitas ekstrem setahun lebih banyak daripada badai era satelit mana pun. Surigae tidak akan mendarat, tetapi topan yang muncul di...

Mekanisme fotoenzim kunci yang diuraikan

Kesan artis tentang katalisis enzimatik yang diusulkan dalam mekanisme fotodekarboksilase asam lemak (Sains 2021). Kredit: Damien Sorigué Pengoperasian enzim FAP, yang berguna untuk memproduksi...

DOE Mendorong Investasi A.S. yang Agresif dalam Energy Fusion

Sinar laser energi tinggi NIF berkumpul di target di tengah kamera target. Keberhasilan mendapatkan penyalaan fusi akan menjadi langkah maju yang besar dalam...

Fisikawan menciptakan bit kuantum yang dapat mencari materi gelap

Sebuah qubit (persegi panjang kecil) dipasang pada tingkat kebiruan, yang berada di atas jari untuk menunjukkan skala. Ilmuwan di Farmland Universitas Chicago menggunakan...

Ahli paleontologi memperkirakan bahwa 2,5 miliar T. rex menjelajahi Bumi selama periode Kapur

Untuk semua mereka yang terlambatKapur Menurut sebuah studi baru, jumlah total tyrannosaurus yang pernah hidup di Bumi adalah sekitar 2,5 miliar individu, di mana...

Newsletter

Subscribe to stay updated.