Chất xúc tác quang mới cho các phản ứng hóa học dòng chảy trong sản xuất

Một loại chất xúc tác photoredox mới, do các nhà hóa học Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) thiết kế có thể khiến quá trình kết hợp các phản ứng, được điều khiển bằng ánh sáng vào quy trình sản xuất dòng liên tục dễ dàng hơn. Do tính không hòa tan của chất xúc tác, các phản ứng hóa học có thể diễn ra liên tục và chất xúc tác được sử dụng nhiều lần.

Những phản ứng hóa học điều khiển bằng ánh sáng là công cụ mạnh mẽ của các nhà hóa học khi phát triển các phương pháp mới sản xuất dược phẩm và những phân tử quan trọng khác. Sử dụng năng lượng ánh sáng cần có chất xúc tác photoredox, có thể hấp thụ ánh sáng và chuyển thành năng lượng cho phản ứng hóa học.

Các nhà hóa học MIT thiết kế một loại chất xúc tác photoredox mới, cho phép kết hợp các phản ứng điều khiển bằng ánh sáng vào những quy trình sản xuất dễ dàng hơn. Khác với hầu hết các chất xúc tác photoredox hiện có, vật liệu mới không hòa tan, do đó có thể được sử dụng nhiều lần. Những chất xúc tác mới được sử dụng để phủ lên ống, thực hiện các biến đổi hóa học trên các chất phản ứng khi chảy qua ống.

Richard Liu, nghiên cứu sinh sau TS của MIT, tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết, khả năng tái chế chất xúc tác là một trong những thách thức lớn nhất về khả năng sử dụng xúc tác photoredox trong sản xuất. Thực hiện hóa học dòng chảy với một chất xúc tác cố định cung cấp một phương pháp mới để sử dụng xúc tác photoredox trên quy mô sản xuất.

Các chất xúc tác polymer có thể được sử dụng để phủ lên trong ống, thực hiện các biến đổi hóa học trên các chất phản ứng khi chảy qua ống. Ảnh: Richard Liu

Những chất xúc tác mới có thể được điều chỉnh để thực hiện nhiều loại phản ứng khác nhau, đồng thời có thể tích hợp vào các vật liệu khác như vải hoặc các hạt vật chất.

Chất xúc tác hỗn hợp

Chất xúc tác photoredox hoạt động bằng cách hấp thụ các photon và sử dụng năng lượng ánh sáng để kích hoạt phản ứng hóa học, tương tự như chất diệp lục trong tế bào thực vật hấp thụ năng lượng mặt trời và sử dụng để xây dựng các phân tử đường.

Nhóm nhà hóa học phát triển hai lớp chính của chất xúc tác photoredox, được gọi là chất xúc tác đồng nhất và dị thể. Chất xúc tác đồng nhất bao gồm thuốc nhuộm hữu cơ hoặc phức kim loại hấp thụ ánh sáng. Những chất xúc tác này dễ điều chỉnh để thực hiện một phản ứng cụ thể, nhưng nhược điểm là tan trong dung dịch diễn ra phản ứng. Do đó chất xúc tác không dễ dàng chiết xuất và sử dụng lại.

Chất xúc tác dị thể là khoáng chất rắn hoặc vật liệu kết tinh tạo thành tấm hoặc có cấu trúc 3D. Những vật liệu này không tan, có thể được sử dụng nhiều lần. Nhưng những chất xúc tác này khó điều chỉnh để đạt được phản ứng mong muốn.

Để kết hợp ưu điểm cả hai loại chất xúc tác này, các nhà nghiên cứu quyết định nhúng thuốc nhuộm tạo nên chất xúc tác đồng chất vào một polymer rắn từ các chất xúc tác dị thể. Để sử dụng chất xúc tác này, nhóm nghiên cứu điều chỉnh một loại polymer tương tự nhựa với các lỗ nhỏ phát triển trước đó để tách khí. Trong nghiên cứu, các nhà khoa học chứng minh được có thể kết hợp khoảng chục chất xúc tác đồng nhất khác nhau vào vật liệu lai ghép mới, khẳng định có thể kết hợp được nhiều hơn.'

Chất xúc tác polymer lai ghép trong phản ứng quang hóa. Ảnh ScitechDaily

Những chất xúc tác lai ghép này có khả năng tái chế và độ bền của chất xúc tác dị thể, nhưng lại có khả năng phân tích chính xác của chất xúc tác đồng nhất. Có thể kết hợp thuốc nhuộm mà không làm mất hoạt tính hóa học của vật chất, do đó từ hàng chục nghìn phản ứng sử dụng photoredox đã được biết, có thể tìm được chất xúc tác tương đương không hòa tan cần thiết.

Nhóm nghiên cứu phát hiện thấy, kết hợp các chất xúc tác vào polymer giúp hoạt động hiệu quả hơn. Các phân tử chất phản ứng có thể được giữ trong các lỗ xốp của polymer và sẵn sàng phản ứng. Năng lượng ánh sáng có thể dễ dàng di chuyển dọc theo polymer đến các chất phản ứng.

Các polymer liên kết các phân tử từ dung dịch và tập trung cho phản ứng. Các trạng thái kích thích nhanh chóng di chuyển khắp polymer. Tính linh động kết hợp của trạng thái kích thích và sự phân chia các chất phản ứng trong polymer khiến phản ứng hóa học diễn ra nhanh và hiệu quả hơn so với trong các quy trình dung dịch dòng chảy nguyên chất.

Hiệu quả cao hơn

Có thể điều chỉnh các đặc tính vật lý của polymer, bao gồm cả độ dày và độ xốp trên cơ sở sử dụng chất xúc tác cần thiết. Nhóm

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các polymer flo hóa, có thể dính vào ống có flo, được sử dụng để sản xuất dòng chảy liên tục. Trong quá trình sản xuất này, các chất phản ứng hóa học chảy qua một loạt các ống, các thành phần mới được thêm vào hoặc diễn ra các phản ứng khác như tinh chế hoặc phân tách.

Kết hợp các phản ứng photoredox vào các quá trình sản xuất dòng chảy liên tụcrất khó khăn vì các chất xúc tác được sử dụng sẽ hòa tan và hết rất nhanh, cần phải được thêm liên tục vào dung dịch. Kết hợp các chất xúc tác mới do MIT thiết kế vào ống, sử dụng cho quy trình sản xuất này có thể cho phép thực hiện các phản ứng photoredox trong dòng chảy liên tục. Đường ống cho phép ánh sáng từ đèn LED chiếu và kích hoạt các chất xúc tác.

Nhóm nghiên cứu dự kiến phủ hỗn hợp các chất xúc tác lên các hạt từ tính, dễ dàng lấy ra khỏi dung dịch sau khi phản ứng kết thúc, hoặc để phủ các lọ phản ứng hay vải dệt cho những phản ứng quang hóa. Nhóm nghiên cứu cũng tìm cách kết hợp nhiều loại chất xúc tác hơn vào các polymer và nghiên cứu kỹ thuật cấu trúc polymer nhằm tối ưu hóa cho nhiều ứng dụng khác nhau.