由麻省理工學院(MIT)化學家設計的一種新型光氧化催化劑可能使其更容易將光驅動的反應納入連續流動的製造過程。關鍵是它們的不溶性，這使得它們能被反覆使用。
光驅動的化學反應為化學家開發生產藥品和其他重要分子的新方法提供了一個強有力的工具。通過利用這種光能需要光氧化催化劑，它可以吸收光並將能量轉移到化學反應中。
現在，MIT的化學家們已經設計出一種新型的光氧化催化劑，它可以使光驅動的反應更容易被納入製造過程中。跟大多數現有的光氧化催化劑不同，這一類新材料是不溶的，這意味着它們可以反覆使用。這種催化劑可以用來塗在管子上並在反應物流經管子時對其進行化學轉化。
“能回收催化劑是能在製造業中使用光氧化催化的最大挑戰之一，它需要克服，”MIT博士后、這項新研究的共同第一作者Richard Liu說道，“我們希望通過能用固定化的催化劑進行流動化學反應，我們可以提供一種新的方式來進行更大規模的光氧化催化。”
據了解，這種新催化劑可以被調整以進行許多不同類型的反應，另外它也可以被納入其他材料中–包括紡織品或顆粒。
據悉，MIT John D. MacArthur化學教授Timothy Swager是這篇論文的資深作者，該論文於2022年5月27日發表在《自然通訊》上。另外，該學院的研究科學家Sheng Guo和研究生Shao-Xiong Lennon Luo也是該論文的作者。
混合材料
光氧化劑催化劑的工作原理是吸收光子，然後利用光能為化學反應提供動力，這類似於植物細胞中的葉綠素如何從太陽吸收能量並利用它來構建糖分子。
化學家們已經開發了兩大類光氧化催化劑，它們被稱為同質催化劑和異質催化劑。同質催化劑通常由有機染料或吸光金屬複合物組成。這些催化劑很容易調整以進行特定的反應，但缺點是它們會溶解在發生反應的溶液中。這意味着它們不易被移除並再次使用。
另一方面，異質催化劑是形成片狀或三維結構的固體礦物或結晶材料。這些材料不會溶解，所以它們可以多次使用。然而這些催化劑更難調整以實現所需的反應。
為了結合這兩類催化劑的優點，研究人員決定將構成均質催化劑的染料嵌入到一種固體聚合物中。為了這一應用，研究人員改造了一種類似塑料的聚合物，它具有微小的孔隙。在這項研究中，研究人員證明他們可以將約十幾種不同的同質催化劑納入到他們的新混合材料中，但他們相信它可以工作得更多。
Liu說道：“這些混合催化劑具有異質催化劑的可回收性和耐久性，但也具有同質催化劑的精確可調性。你可以在不失去化學活性的情況下加入染料，因此，你可以或多或少地從已經知道的數以萬計的光氧化反應中挑選並得到你需要的催化劑的不溶性等價物。”
研究人員發現，將催化劑納入聚合物還有助於它們變得更有效率。原因之一是，反應物分子可以被容納在聚合物的孔隙中，隨時準備反應。此外，光能可以很容易地沿着聚合物移動找到等待的反應物。
Swager說道：“新的聚合物結合了溶液中的分子並有效地預先集中它們以進行反應。另外，激發態可以在整個聚合物中迅速遷移。激發態的移動性和反應物在聚合物中的分區相結合，這使得反應比純溶液過程中可能發生的反應更快、更有效。”
更高的效率
研究人員還表明，他們可以根據他們想要使用催化劑的應用來調整聚合物骨架的物理特性，其中包括其厚度和孔隙度。
作為一個例子，他們表明，他們可以製造出能粘附在氟化管上的氟化聚合物，而氟化管通常用於連續流製造。在這種類型的製造過程中，化學反應物流經一系列的管子，同時加入新的成分或進行其他步驟，如純化或分離。
目前，將光氧化反應納入連續流動過程是具有挑戰性的，因為催化劑很快就會用完，所以必須不斷向溶液中添加。將麻省理工學院設計的新催化劑納入用於這種生產的管道中，可以使光氧化反應在連續流動中進行。這種管子是透明的，其允許來自LED的光線到達催化劑並激活它們。
“我們的想法是讓催化劑塗在管子上，所以你可以讓你的反應流過管子，而催化劑保持不動。這樣一來，你永遠不會在產品中看到催化劑，而且你還可以得到更高的效率，”Liu說道。
此外，催化劑還可以用來塗抹磁珠，從而使它們在反應完成後更容易從溶液中拉出來或塗抹在反應瓶或紡織品上。研究人員現在正在努力將更多種類的催化劑納入他們的聚合物中並對聚合物進行工程設計以優化它們的不同可能應用。