Des chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), du Département de chimie et de biologie chimique de Harvard et de l'Université d'Utrecht ont découvert un moyen jusqu'alors insaisissable d'améliorer la sélectivité des réactions catalytiques, en ajoutant une nouvelle méthode pour augmenter l'efficacité des catalyseurs pour une gamme potentiellement large d'applications dans diverses industries, notamment les produits pharmaceutiques, cosmétiques et bien plus encore.
La recherche est publiée dans Nature Catalysis.
L'industrie chimique s'appuie sur des catalyseurs pour plus de 90 % de ses processus et presque tous ces catalyseurs sont constitués de nanoparticules dispersées sur un substrat. Les chercheurs soupçonnent depuis longtemps que la taille des nanoparticules individuelles et la distance qui les sépare jouent un rôle important dans la vitesse et les produits produits lors de la réaction catalytique, mais comme les nanoparticules ont tendance à se déplacer et à s'agglomérer pendant la catalyse, il a été difficile de les étudier. exactement comment.
Au cours de la dernière décennie, Joanna Aizenberg, professeure Amy Smith Berylson de science des matériaux et professeure de chimie et de biologie chimique, et son laboratoire se sont inspirés de la nature pour construire des matériaux poreux hautement ordonnés destinés à un large éventail de réactions catalytiques.
Inspirés par la structure des ailes de papillon, les chercheurs ont conçu une nouvelle plateforme catalytique qui intègre partiellement les nanoparticules dans le substrat, les emprisonnant afin qu'elles ne bougent pas pendant la catalyse, tout en laissant le reste de la surface des nanoparticules exposée, leur permettant ainsi d'effectuer les réactions catalytiques efficacement et sans agglomération.
Les chercheurs ont découvert que la distance entre les particules avait un impact énorme sur la sélectivité de la réaction.
"De nombreuses réactions chimiques industriellement pertinentes suivent une cascade par laquelle le produit chimique A est transformé en produit chimique B qui peut ensuite être transformé en produit chimique C et ainsi de suite", a déclaré Kang Rui Garrick Lim, étudiant diplômé du laboratoire Aizenberg et premier auteur de l'étude. .
"Dans certains processus catalytiques, le produit chimique intermédiaire, le produit chimique B, est l'objectif, tandis que dans d'autres, c'est le produit final, le produit chimique C. La sélectivité du catalyseur indique s'il favorise la production du produit chimique B ou du produit chimique C."
Un bon exemple en est la production d'alcool benzylique, un produit chimique utilisé dans de nombreux domaines, depuis les gommes-laques, les peintures et la production de cuir jusqu'aux médicaments intraveineux, aux cosmétiques et aux médicaments topiques.
L'alcool benzylique est le produit chimique intermédiaire B, dérivé de l'hydrogénation du benzaldéhyde (produit chimique A), avant que la réaction ne crée du toluène (produit chimique C), un autre produit chimique couramment utilisé mais de moindre valeur. Afin de produire efficacement de l'alcool benzylique, la formation de toluène doit être supprimée.
Actuellement, pour rendre l'alcool benzylique plus utile, la réaction d'hydrogénation catalytique est ralentie, ou ne se déroule pas jusqu'à son terme, pour garantir que la réaction s'arrêtera en B et formera le moins de toluène possible.
"En général, pour fabriquer ces produits chimiques intermédiaires, vous rendez le catalyseur moins réactif et la réaction globale plus lente, ce qui n'est pas du tout productif", a déclaré Lim. "Les catalyseurs sont destinés à accélérer les choses, pas à les ralentir."
Les chercheurs ont démontré leur plateforme dans la formation catalytique d’alcool benzylique. Lim et l'équipe ont découvert que lorsque les nanoparticules métalliques catalytiques étaient plus espacées sur le substrat, la réaction était plus sélective envers l'alcool benzylique, le produit chimique intermédiaire.
Lorsque les nanoparticules étaient plus rapprochées, la réaction était plus sélective envers le toluène, le produit final. Étant donné que la distance entre les nanoparticules peut être ajustée de manière synthétique à l'aide de la plateforme catalytique bioinspirée, la recherche suggère que la même plateforme catalytique peut être facilement adaptée à une gamme de produits chimiques intermédiaires ou finaux.
"La catalyse est essentielle à la production de toute une gamme de matériaux extrêmement importants qui sont utilisés dans les produits pharmaceutiques, les produits de consommation et dans la fabrication de nombreux produits que nous utilisons tous dans la vie quotidienne", a déclaré Aizenberg.
« L'ajout de cet outil d'amélioration de la sélectivité à l'arsenal des chimistes est extrêmement important. Il permettra un réglage plus efficace des processus catalytiques, une utilisation plus économique des matières premières accompagnée d'une réduction de la consommation d'énergie et de la production de déchets. Nous espérons que les chimistes utiliseront notre plateforme. dans une optimisation plus poussée des processus catalytiques nouveaux et existants."
Ensuite, l'équipe utilisera la même plateforme pour comprendre l'impact de la taille des nanoparticules sur la réaction à des distances fixes entre les nanoparticules.
L'Office of Technology Development de Harvard a protégé la propriété intellectuelle du laboratoire du professeur Aizenberg, qui est la technologie sous-jacente à cette recherche.
La recherche a été co-écrite par Selina K. Kaiser, Haichao Wu, Sadhya Garg, Marta Perxes Perich, Jessi E. S. van der Hoeven et Michael Aizenberg.
Plus d'informations : Kang Rui Garrick Lim et al, La proximité des nanoparticules contrôle la sélectivité dans l'hydrogénation du benzaldéhyde, Nature Catalysis (2024). DOI :10.1038/s41929-023-01104-1
Informations sur le journal : Catalyse naturelle
Fourni par la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences
