MIT化学家们设计出可以帮助制造的新型光能催化剂

光驱动的化学反应为化学家开发生产药品和其他重要分子的新方法提供了一个强有力的工具。通过利用这种光能需要光氧化催化剂，它可以吸收光并将能量转移到化学反应中。

现在，MIT的化学家们已经设计出一种新型的光氧化催化剂，它可以使光驱动的反应更容易被纳入制造过程中。跟大多数现有的光氧化催化剂不同，这一类新材料是不溶的，这意味着它们可以反复使用。这种催化剂可以用来涂在管子上并在反应物流经管子时对其进行化学转化。

“能回收催化剂是能在制造业中使用光氧化催化的最大挑战之一，它需要克服，”MIT博士后、这项新研究的共同第一作者Richard Liu说道，“我们希望通过能用固定化的催化剂进行流动化学反应，我们可以提供一种新的方式来进行更大规模的光氧化催化。”

据了解，这种新催化剂可以被调整以进行许多不同类型的反应，另外它也可以被纳入其他材料中--包括纺织品或颗粒。

据悉，MIT John D. MacArthur化学教授Timothy Swager是这篇论文的资深作者，该论文于2022年5月27日发表在《自然通讯》上。另外，该学院的研究科学家Sheng Guo和研究生Shao-Xiong Lennon Luo也是该论文的作者。

混合材料

光氧化剂催化剂的工作原理是吸收光子，然后利用光能为化学反应提供动力，这类似于植物细胞中的叶绿素如何从太阳吸收能量并利用它来构建糖分子。

化学家们已经开发了两大类光氧化催化剂，它们被称为同质催化剂和异质催化剂。同质催化剂通常由有机染料或吸光金属复合物组成。这些催化剂很容易调整以进行特定的反应，但缺点是它们会溶解在发生反应的溶液中。这意味着它们不易被移除并再次使用。

另一方面，异质催化剂是形成片状或三维结构的固体矿物或结晶材料。这些材料不会溶解，所以它们可以多次使用。然而这些催化剂更难调整以实现所需的反应。

为了结合这两类催化剂的优点，研究人员决定将构成均质催化剂的染料嵌入到一种固体聚合物中。为了这一应用，研究人员改造了一种类似塑料的聚合物，它具有微小的孔隙。在这项研究中，研究人员证明他们可以将约十几种不同的同质催化剂纳入到他们的新混合材料中，但他们相信它可以工作得更多。

Liu说道：“这些混合催化剂具有异质催化剂的可回收性和耐久性，但也具有同质催化剂的精确可调性。你可以在不失去化学活性的情况下加入染料，因此，你可以或多或少地从已经知道的数以万计的光氧化反应中挑选并得到你需要的催化剂的不溶性等价物。”

研究人员发现，将催化剂纳入聚合物还有助于它们变得更有效率。原因之一是，反应物分子可以被容纳在聚合物的孔隙中，随时准备反应。此外，光能可以很容易地沿着聚合物移动找到等待的反应物。

Swager说道：“新的聚合物结合了溶液中的分子并有效地预先集中它们以进行反应。另外，激发态可以在整个聚合物中迅速迁移。激发态的移动性和反应物在聚合物中的分区相结合，这使得反应比纯溶液过程中可能发生的反应更快、更有效。”

更高的效率

研究人员还表明，他们可以根据他们想要使用催化剂的应用来调整聚合物骨架的物理特性，其中包括其厚度和孔隙度。

作为一个例子，他们表明，他们可以制造出能粘附在氟化管上的氟化聚合物，而氟化管通常用于连续流制造。在这种类型的制造过程中，化学反应物流经一系列的管子，同时加入新的成分或进行其他步骤，如纯化或分离。

目前，将光氧化反应纳入连续流动过程是具有挑战性的，因为催化剂很快就会用完，所以必须不断向溶液中添加。将麻省理工学院设计的新催化剂纳入用于这种生产的管道中，可以使光氧化反应在连续流动中进行。这种管子是透明的，其允许来自LED的光线到达催化剂并激活它们。

“我们的想法是让催化剂涂在管子上，所以你可以让你的反应流过管子，而催化剂保持不动。这样一来，你永远不会在产品中看到催化剂，而且你还可以得到更高的效率，”Liu说道。

此外，催化剂还可以用来涂抹磁珠，从而使它们在反应完成后更容易从溶液中拉出来或涂抹在反应瓶或纺织品上。研究人员现在正在努力将更多种类的催化剂纳入他们的聚合物中并对聚合物进行工程设计以优化它们的不同可能应用。