Powstał nowy katalizator zasilany światłem. Jak można go wykorzystać?

Naukowcy z MIT opracowali nowy typ katalizatora fotoutleniającego, dzięki któremu możliwe będzie wprowadzenie reakcji napędzanych światłem do procesów produkcyjnych o ciągłym przepływie.

Takie reakcje dają chemikom wiele możliwości, szczególnie w zakresie projektowania nowych metod produkcji farmaceutyków i innych ważnych cząsteczek. Wykorzystanie energii świetlnej wymaga katalizatorów fotoutleniających. Takowe są w stanie pochłaniać światło, a następnie przekazywać energię do reakcji chemicznej.

Czytaj też: Ten proces jest skuteczniejszy niż fotosynteza. Naukowcy mają sposób na przekształcanie CO2

O ile większość obecnie stosowanych katalizatorów fotoutleniających ulega rozpuszczaniu, tak nowy typ, opisany szerzej na łamach Nature Communications, może być używany wielokrotnie ze względu na swoją wysoką wytrzymałość. Jak wykorzystać takie możliwości w praktyce? W grę wchodzi między innymi pokrywanie rurek i kontrolowanie przemian chemicznych w reagentach podczas ich przepływu. Poza tym, przy odpowiednim dostosowaniu, takie rozwiązanie mogłoby też przydać się w projektowaniu tkanin i cząstek.

Podobnie jak chlorofil w komórkach roślinnych pochłania energię słoneczną i wykorzystuje ją do tworzenia cząsteczek cukru, tak opisywane katalizatory mogą użyć fotonów do wywoływania reakcji chemicznych z wykorzystaniem energii. Tzw. katalizatory homogeniczne składają się zazwyczaj z barwników organicznych lub pochłaniających światło kompleksów metali. Z jednej strony cechują się możliwością łatwego dostosowania do przebiegu określonej reakcji, lecz z drugiej mają tendencję do rozpuszczania się w roztworze, w którym zachodzi reakcja.

Nowy typ katalizatora łączy to, co najlepsze w dotychczasowych rozwiązaniach

Z kolei katalizatory heterogeniczne składają się minerałów stałych tworzących arkusze lub struktury trójwymiarowe. Nie rozpuszczają się, dlatego można ich użyć więcej niż jeden raz. Jednocześnie znacznie trudniej je dostroić. Jak widać, ani jedno, ani drugie rozwiązanie nie jest pozbawione wad. Z tego względu autorzy nowych badań postanowili połączyć to co najlepsze w obu podejściach.

Użyli polimeru przypominającego plastik, który był wcześniej używany do rozdzielania gazów. Następnie osadzili w nim barwniki tworzące katalizatory homogeniczne, których łącznie można było umieścić nawet w liczbie 10-12, choć w przyszłości powinna ona wzrosnąć. W toku obserwacji okazało się, iż powstały w ten sposób nowy typ katalizatora cechuje się wysoką wydajnością i odpornością na rozpuszczanie. Poza tym możliwe było też dostosowywanie właściwości fizycznych szkieletu polimeru, między innymi jego grubości i porowatości, w zależności od potrzeb.

Czytaj też: W MIT opracowano nowy, tani katalizator, który może pomóc nam w produkcji wodoru

Biorąc pod uwagę dotychczasowe możliwości trudno było włączyć reakcje fotoutleniania do procesów o ciągłym przepływie. Było to pokłosiem faktu, iż katalizatory są szybko zużywane, przez co konieczne byłoby ciągle dodawanie ich do roztworu. Dzięki nowemu typowi katalizatora możliwe będzie prowadzenie takich reakcji podczas ciągłego przepływu. Rurki są przezroczyste, więc światło diody LED może dotrzeć do katalizatorów i dokonać ich aktywacji. W grę wchodzi też powlekanie kulek magnetycznych, fiolek reakcyjnych czy tekstyliów.