Forscher aus Illinois sind Teil eines Teams aus mehreren Institutionen, das herausgefunden hat, dass Lösungsmittel spontan mit Metallnanopartikeln reagieren und reaktive Komplexe bilden, die die Leistung von Katalysatoren verbessern und gleichzeitig die Umweltbelastung bei der Herstellung von Chemikalien reduzieren können. Bild: Alex Jerez, Imaging Technology Group - Beckman Institute.

Mysteriöser Schaum reduziert chemische Abfälle

Publiziert

Eine Entdeckung bringt ein neues grundlegendes Verständnis der katalytischen Chemie und ein Sprungbrett für praktische Anwendungen, die eines Tages die chemische Produktion weniger verschwenderisch und umweltfreundlicher machen könnten.

Chemische Hersteller verwenden häufig giftige Lösungsmittel wie Alkohole und Benzol, um Produkte wie Pharmazeutika und Kunststoffe herzustellen. Forscher untersuchen ein bisher übersehenes und missverstandenes Phänomen bei den chemischen Reaktionen, die zur Herstellung dieser Produkte verwendet werden. Diese Entdeckung bringt ein neues grundlegendes Verständnis der katalytischen Chemie und ein Sprungbrett für praktische Anwendungen, die eines Tages die chemische Produktion weniger verschwenderisch und umweltfreundlicher machen könnten.

Die Studie unter der Leitung des Forschers David Flaherty von der University of Illinois Urbana-Champaign, des Forschers Matthew Neurock von der University of Minnesota, Twin Cities und des Forschers Ayman Karim von der Virginia Tech wurde in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die Kombination von Lösungsmitteln und Metall-Nanopartikeln beschleunigt viele chemische Reaktionen und hilft, die Ausbeute und die Gewinnspannen der chemischen Industrie zu maximieren. Allerdings sind viele Lösungsmittel giftig und schwer sicher zu entsorgen, so die Forscher. Wasser funktioniert zwar auch, ist aber nicht annähernd so effizient und zuverlässig wie organische Lösungsmittel. Der Grund für den Unterschied wurde in der begrenzten Löslichkeit einiger Reaktanten in Wasser vermutet. Mehrere Unregelmäßigkeiten in den experimentellen Daten haben das Team jedoch zu der Erkenntnis geführt, dass die Gründe für diese Unterschiede nicht vollständig verstanden wurden.

Um den Prozess besser zu verstehen, führte das Team Experimente durch, um die Reduktion von Sauerstoff zu Wasserstoffperoxid zu analysieren - ein Satz mit Wasser, ein anderer mit Methanol und weitere mit Wasser- und Methanolmischungen. In allen Experimenten wurden Palladium-Nanopartikel verwendet.

"In den Experimenten mit Methanol beobachteten wir eine spontane Zersetzung des Lösungsmittels, die einen organischen Rückstand oder Abschaum auf der Oberfläche der Nanopartikel hinterließ", so Flaherty, Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik in Illinois. "In einigen Fällen haftet der schaumartige Rückstand an den Nanopartikeln und erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und die Menge des gebildeten Wasserstoffperoxids, anstatt die Reaktion zu behindern. Diese Beobachtung brachte uns dazu, uns zu fragen, wie es helfen könnte."

Das Team fand heraus, dass der Rückstand, oder Oberflächen-Redox-Mediator, sauerstoffhaltige Spezies enthält, darunter eine Schlüsselkomponente Hydroxymethyl. Er reichert sich auf der Oberfläche der Palladium-Nanopartikel an und öffnet neue chemische Reaktionswege, berichtet die Studie.

"Sobald sich der Rückstand gebildet hat, wird er Teil des katalytischen Zyklus und ist wahrscheinlich für einige der unterschiedlichen Effizienzen unter den Lösungsmitteln verantwortlich, die in den letzten 40 Jahren der Arbeit an dieser Reaktion berichtet wurden", sagte Flaherty. "Unsere Arbeit liefert starke Beweise dafür, dass sich diese Oberflächen-Redox-Mediatoren in alkoholischen Lösungsmitteln bilden und dass sie viele bisherige Rätsel dieser Chemie erklären können."

Durch die Arbeit mit verschiedenen Arten von Experimenten und rechnerischen Simulationen fand das Team heraus, dass diese Redox-Mediatoren sowohl Protonen als auch Elektronen effektiv auf die Reaktanten übertragen, während bei Reaktionen in reinem Wasser Protonen leicht übertragen werden, aber keine Elektronen. Diese Mediatoren verändern auch die Oberfläche der Nanopartikel in einer Weise, die die zu überwindende Energiebarriere für den Protonen- und Elektronentransfer senkt, berichtet die Studie.

"Wir zeigen, dass sowohl die alkoholischen Lösungsmittel als auch die organischen Zusätze reagieren können, um metallgebundene Oberflächenmediatoren zu bilden, die ähnlich wie die enzymatischen Kofaktoren in unserem Körper bei der Katalyse von Oxidations- und Reduktionsreaktionen wirken", so Neurock.

Darüber hinaus könnte diese Arbeit Auswirkungen auf die Reduzierung der in der chemischen Industrie verwendeten Lösungsmittel und des entstehenden Abfalls haben.

"Unsere Forschung deutet darauf hin, dass Chemieproduzenten für einige Situationen die Oberflächen-Redox-Mediatoren bilden könnten, indem sie kleine Mengen eines Additivs zu reinem Wasser hinzufügen, anstatt Tausende von Gallonen organischer Lösungsmittel durch diese Reaktoren zu pumpen", sagte Flaherty.

Originalveröffentlichung

EVENTS

LOPEC

International führende Fachmesse mit Kongress für Gedruckte Elektronik

Datum: 23. - 25. März 2021

Ort: München (D)

Hannover Messe

Heimat der Industriepioniere Jetzt mehr denn je

Datum: 12. - 16. April 2021

Ort: Hannover (D)

MedTech Summit

Kongress technologie- und marktrelevanten Themen aus der Medizintechnik- und Gesundheitsbranche

Datum: 20. - 22. April 2021

Ort: Online (D)

Medtec Live

ein Joint Venture der MT-CONNECT und Medtec Europe

Datum: 20. - 22. April 2021

Ort: Nürnberg (D)

SENSOR + TEST

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik

Datum: 04. - 06. Mai 2021

Ort: Nürnberg (D)

T4M

Die neue Messe für Medizintechnik in Stuttgart.

Datum: 08. - 10. Juni 2021

Ort: Stuttgart (D)

EPHJ-EPMT-SMT

Interantionale Ausstellung für Uhrenindustrie, Mikrotechnologie und Medizinaltechnik

Datum: 08. - 11. Juni 2021

Ort: Palexpo Genf (CH)

Compamed

Fachmesse für Produkte aus der medizinischen Vorproduktion

Datum: 15. - 18. Juni 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Securite Lausanne

Die Schweizer Fachmesse

Datum: 16. - 18. Juni 2021

Ort: Zürich (CH)

AQUA Suisse

Die Schweizer Fachmesse für Wasser, Abwasser und Gas

Datum: 25. - 26. August 2021

Ort: Zürich (CH)

maintenance Schweiz

Schweizer Fachmesse für industrielle Instandhaltung und Facility Management

Datum: 25. - 26. August 2021

Ort: Zürich (CH)

Pumps & Valves

Fachmesse für Pumpen- und Ventiltechnik

Datum: 25. - 26. August 2021

Ort: Zürich (CH)

SINDEX

Schweizer Messe für industrielle Automatisierung

Datum: 31. August - 02. September 2021

Ort: Bern (CH)

LABVOLUTION

Europäische Fachmesse für innovative Laborausstattung und für die Optimierung von Labor-Workflows

Datum: 07. - 09. September 2021

Ort: Hannover (D)

Midest Chassieu

Midest ist eine der weltweit größten Fachmessen für die Industriezulieferwirtschaft.

Datum: 07. - 10. September 2021

Ort: Lyon (D)

AM Expo

Inspiration, Weiterbildung und Netzwerk

Datum: 14. - 15. September 2021

Ort: Luzern (CH)

Swiss Medtech Expo

Advanced Manufacturing

Datum: 14. - 15. September 2021

Ort: Luzern (CH)

FachPack

Europäische Fachmesse für Verpackung, Technik, Veredelung und Logistik

Datum: 28. - 30. September 2021

Ort: Nürnberg (D)

parts2clean

Internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung

Datum: 05. - 07. Oktober 2021

Ort: Stuttgart (D)

VISION

Weltleitmesse für Bildverarbeitung

Datum: 05. - 07. Oktober 2021

Ort: Stuttgart (D)

Rehacare

Die REHACARE ist die internationale Fachmesse für Rehabilitation, Prävention, Inklusion und Pflege.

Datum: 06. - 09. Oktober 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Fakuma

Internationale Fachmesse für Kunststoffverarbeitung

Datum: 12. - 16. Oktober 2021

Ort: Friedrichshafen (D)

Ilmac

Fachmesse für Prozess- und Labortechnologie

Datum: 19. - 21. Oktober 2021

Ort: Basel (CH)

Ifas

Fachmesse für Gesundheitsmarkt

Datum: 19. - 21. Oktober 2021

Ort: Zürich (CH)

A + A

Internationale Fachmesse für Persönlichen Schutz, Betriebliche Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit.

Datum: 26. - 29. Oktober 2021

Ort: Düsseldorf (D)

SEMICON Europa

Europäische Leitmesse für Mikroelektronik

Datum: 16. - 19. November 2021

Ort: München (D)

transport-CH

Schweizer Nutzfahrzeugsalon

Datum: 10. - 13. November 2021

Ort: Bern (CH)

Medica

Die Weltleitmesse der Medizinbranche

Datum: 15. - 18. November 2021

Ort: Düsseldorf (D)

Cleanzone

Internationale Fachmesse und Kongress für Reinraumtechnologie

Datum: 24. - 25. November 2021

Ort: Frankfurt am Main (D)

Swissbau

Die führende Fachmesse der Bau- und Immobilienwirtschaft in der Schweiz Sicherheits-Kongress 2020 parallel zur Swissbau - Praxisnahe Sicherheitsinformationen als Weiterbildung.

Datum: 18. - 21. Januar 2022

Ort: Basel (CH)

Swiss Plastics Expo

Schweizer Fachmesse Kunststoffindustrie

Datum: 25. - 27. Januar 2022

Ort: Luzern (CH)

NORTEC

Fachmesse für Produktionstechnik und Maschinenbau

Datum: 25. - 28. Januar 2022

Ort: Hamburg (D)

Empack Schweiz

The Future of Packaging Technology

Datum: 26. - 27. Januar 2022

Ort: Bern Expo (CH)

aqua pro gaz

DIE SCHWEIZER MESSE DER TRINKWASSER-, ABWASSER- UND GASFACHLEUTES

Datum: 09. - 11. Februar 2022

Ort: Bulle (CH)

LogiMat

Internationale Fachmesse für Intralogistik

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Stuttgart (D)

Filtech

Internationale Fachmesse für Filter- und Trenntechnologie

Datum: 08. - 10. März 2022

Ort: Köln (D)

IKV-Kunststoffverarbeitung

International Colloquium Plastics Technology Recruiting - Networking - Innovating

Datum: 16. - 17. März 2022

Ort: Aachen (D)

Achema

Internationale Leitmesse der Prozessindustrie

Datum: 04. - 08. April 2022

Ort: Frankfurt am Main (D)

Siams

Die Messe der Produktionsmittel der Mikrotechnik

Datum: 05. - 08. April 2022

Ort: Halle d'Exposition, Moutier (CH)

LASER World of PHOTONICS

Weltleitmesse für Komponenten, Systeme und Anwendungen der Photonik

Datum: 26. - 29. April 2022

Ort: München (D)

IFAT

Weltleitmesse für Wasser-, Abwasser-, Abfall- und Rohstoffwirtschaft

Datum: 30. Mai - 03. Juni 2022

Ort: München (D)

ArbeitsSicherheitSchweiz

Fachmesse für Arbeitssicherheit, Gesundheitsschutz & Gesundheitsförderung am Arbeitsplatz

Datum: 01. - 02. Juni 2022

Ort: Bern (CH)

Automatica

Leitmesse für intelligente Automation und Robotik

Datum: 21. -24. Juni 2022

Ort: München (D)

analytica

Leitmesse für Labortechnik, Analytik, Biotechnologie und analytica conference

Datum: 21. - 24. Juni 2022

Ort: München (D)

POWTECH

Pharma.Manufacturing.Excellence

Datum: 30. August - 01. September 2022

Ort: Nürnberg (D)

K Messe

Weltleitmesse für Kunststoff- und Kautschukindustrie

Datum: 19. - 26. Oktober 2022

Ort: Düsseldorf (D)

BrauBeviale

Europäische Fachmesse für die Getränkewirtschaft

Datum: 08. - 10. November 2022

Ort: Nürnberg (D)

electronica

Komponenten, Systeme, Anwendungen, Lösungen

Datum: 08. - 11. November 2022

Ort: München (D)

interpack

Führende Messe für Prozesse und Verpackung

Datum: 04. - 10. Mai 2023

Ort: Düsseldorf (D)

NEWCAST

Internationale Fachmesse für Gussprodukte mit Newcast Forum

Datum: 12. - 16. Juni 2023

Ort: Düsseldorf (D)

Partec

Internationales Forum für Forschung und Entwicklung in der Partikeltechnik

Datum: 26. - 28. September 2023

Ort: Nürnberg (D)

Bezugsquellenverzeichnis