پژوهشگران انگلیسی با همکاری محققان آمریکایی موفق به تولید بنزیل به کمک نانوذرات طلا و پالادیم شدند. آنها از روشی تک‌مرحله‌ای و بدون حلال به‌صورت مستقیم از تولوئن به بنزیل رسیدند.
تولید مواد شیمیایی زیست‌سازگار
پژوهشگران انگلیسی با همکاری محققان آمریکایی موفق به تولید بنزیل به کمک نانوذرات طلا و پالادیم شدند. آنها از روشی تک‌مرحله‌ای و بدون حلال به‌صورت مستقیم از تولوئن به بنزیل رسیدند.
تصویر میکروسکوپ الکترونی زمینه‌ی تاریک حلقوی با زاویه‌ی بزرگ از نانوذره‌ی طلا-پالادیم که روی زمینه‌ی اکسید تیتانیم قراردارد.
استفاده از نانوذرات طلا-پالادیم(Au-Pd)، روشی با بازدهی بالا و زیست‌سازگار برای تولید بنزوات بنزیل است. این ماده‌ی شیمیایی، ترکیبی است که به‌صورت گسترده‌ای در صنایع غذایی(به‌عنوان افزودنی غذایی)، داروسازی(در خوش‌بوکننده‌ها) و شیمیایی(به‌عنوان حلال برای واکنش‌های شیمیایی) استفاده می‌شود.
روش رایج برای تولید بنزوات بنزیل، واکنش اسید بنزوییک با بنزیل الکل است، همچنین می‌توان آن را از بنزآلدهید تهیه کرد. هر سه ماده‌ی اولیه، از تولوئن مشتق شده‌اند که یکی از اجزای نفت خام است. ساخت بنزیل الکل و بنزآلدهید نیاز به استفاده از هالوژن‌ها و حلال‌های اسیدی دارد، در حالی که اسید بنزوییک از واکنشی از فاز مایع با همراهی کاتالیزور کبالت که روشی بسیار زیست‌سازگار است، تولید می‌شود.
یک گروه پژوهشی(رشته‌ی شیمی) به سرپرستی پروفسور گراهام هوچینگ از دانشگاه کاردیف انگلستان و پروفسور کریستوفر کیلی (رشته‌ی علوم و مهندسی مواد) از دانشگاه Lehigh در آمریکا، بنزیل را به کمک نانوذرات Au-Pd(به‌عنوان کاتالیزور واکنش) به‌صورت مستقیم از تولوئن در فرایندی بدون حلال و تک‌مرحله‌ای به دست آورده‌اند.
پروفسور هوچینگ می‌گوید:«با بهینه کردن نسبت نانوذرات طلا و پالادیم و حالت‌های واکنش، ما قادر به تبدیل ۹۵ درصدی بنزیل بدون تولید دی اکسید کربن خواهیم بود».
این تصویر به کمک میکروسکوپ الکترونی با دقت بسیار بالا گرفته شده‌است و نانوذره‌ی طلا-پالادیم را روی بستر اکسید تیتانیم نشان می‌دهد.
این محققان، یافته‌های خود را در مجله‌ی Science با عنوان «اکسیداسیون بدون حلال پیوندهای کربن- هیدروژن موجود در تولوئن به کمک آلیاژ نانوذرات طلا و پالادیم»، منتشر کرده‌اند. این مقاله را پروفسور هوچینگ، پروفسور کیلی و ده تن از همکارانشان نوشته‌اند.
به جای ساخت کاتالیزورها با روش‌های رایج اشباع بستر، پژوهشگران یک روش آماده‌سازی را که شامل پایدارسازی سل کلوییدهای Au-Pd با استفاده از بسترهای همگن اکسید تیتانیم و کربن است، انتخاب کرده‌اند. این روش امکان کنترل بیشتری را بر ترکیب و اندازه‌ی نانوذرات نسبت به روش‌های رایج فراهم می‌کند.
مطالعات انجام‌شده به‌وسیله‌ی میکروسکوپ الکترونی عبوری(TEM) نشان می‌دهد که متوسط اندازه‌ی ذرات مشابه به هم است، به‌‌طوری که نانوذرات روی بستر کربنی ۳/۳ نانومتری و نانوذرات روی بستر اکسید تیتانیمی ۵/۳ نانومتری هستند.
پروفسور کیلی می‌گوید:«با وجود داشتن توزیع اندازه‌ی ذرات مشابه، نمونه‌های طلا-پالادیم/ کربن قدرت کاتالیستی تقریباً دو برابری نسبت به نمونه‌های طلا- پالادیم/ اکسید تیتانیم دارند». این مورد نشان می‌دهد که فضای سطح فلزی ساده، اثری بر فعالیت کاتالیزوری ندارد. آقای کیلی سرپرست آزمایشگاه نانومشخصه‌یابی برای مواد و فناوری نانو در مرکز Lehigh است.
تیرووالام با استفاده از روش Lehigh برای اصلاح انحراف TEM، نشان داد که ذرات، دقیقاً ذرات آلیاژ Au-Pd هستند که بسیار تمایل دارند تا به‌صورت سطحی صاف روی بستر اکسید تیتانیم شکل بگیرند و حال اینکه آنها روی بستر کربنی، بیشتر دایره‌شکل می‌شوند.
کایلی شرح می‌دهد:«تفاوت در فعالیت کاتالیزوری ممکن است با تفاوت در کم بودن عدد همسایگی لبه‌ها و گوشه‌های در دسترس ارتباط داشته باشد. اثر این عامل بر گرد بودن بیشتر نانوذرات روی بستر کربن نسبت به ذرات صاف‌تر روی بستر اکسید تیتانیم، بسیار حائز اهمیت است».
پژوهشگران در آزمایش‌های نهایی، توانستند ثابت کنند که کاتالیزورهای Au-Pd/C، پس از استفاده، کاهش فعالیتی از خود نشان ندادند و اینکه تغییر ایجادشده در شکل و اندازه‌ی ذرات پس از گسترش دوره‌های واکنش، ناچیز است.
کایلی گفت:«واضح است که این کاتالیزورهای با فعالیت بالا، هم پایدارند و هم توانایی استفاده‌ی مجدد را دارند».
