Более безопасный синтез материалов. Ученые открыли фактор, повышающий эффективность химических реакций до 97%
Команда сеульских исследователей обнаружила скрытую химическую переменную — локальный уровень кислотности у электродов. Управляя этим фактором, ученые смогли повысить селективность реакции с 16% до 97%, что открывает путь к более безопасному синтезу материалов.
Международная команда исследователей под руководством профессора Джеюн Рю из Сеульского национального университета совершила прорыв в области органического электросинтеза. Они доказали, что успех или провал химической реакции часто зависит от недооцененной переменной — «локального pH», то есть уровня кислотности или щелочности непосредственно у поверхности электродов. Изменив конструкцию реактора для контроля этой микросреды, ученым удалось увеличить долю желаемого продукта с 16 до 97%.
Исследование, опубликованное в авторитетном издании Journal of the American Chemical Society (JACS), сосредотачивается на производстве лактонов и эпоксидов. Эти соединения являются ключевыми строительными блоками для биоразлагаемых пластмасс, полиуретанов, защитных покрытий, медицинских материалов и фармацевтических препаратов. Традиционные методы их получения обычно требуют использования опасных химических окислителей, тогда как новый подход основан исключительно на безопасном применении кислорода и электрической энергии при нормальном атмосферном давлении и комнатной температуре.
В ходе работы ученые выяснили, что при электрохимических реакциях ионы водорода движутся очень быстро, из-за чего кислотность в микроскопической зоне вокруг катода или анода может кардинально отличаться от общего состояния раствора. Например, у катода среда может становиться сильно щелочной (около pH 11), тогда как у анода сильно кислой (около pH 2,5). Поэтому образуются нежелательные побочные продукты, а полезные вещества разрушаются еще до завершения процесса.
Чтобы решить эту проблему, исследователи оптимизировали геометрию реактора, уменьшив расстояние между электродами с 20 мм до 4 мм и обеспечив контролируемую циркуляцию электролита. Благодаря этому удалось нивелировать резкие перепады кислотности. Помимо повышения селектности до 97% эксперименты показали, что оптимизация скорости потока жидкости увеличивает производительность примерно в 14 раз, а сближение электродов ускоряет процесс в 2,2 раза.
Авторы разведки подчеркивают, что полученные результаты выводят органический электросинтез на новый уровень. Вместо фокусировки исключительно на катализаторах и напряжении, инженерам теперь придется тщательно проектировать микросреду реакции. В будущем этот метод планируется адаптировать для промышленного масштаба, сочетая его с возобновляемыми источниками энергии для создания полностью экологичного и безопасного химического производства.