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来源:©2022 Stephen Cotty等人

氧化还原介导的有机金属催化剂回收电化学原理图

美国科学家已经证明了一种新的、更有效的电化学回收一些均相催化剂的方法。该技术将金属配合物可逆地结合到聚合物上,可以回收几种工业上重要的贵金属催化剂。

在均相催化中,催化剂的活性位完全分散到反应混合物中。这使得均相催化剂比多相催化剂具有动力学优势,因为它们对反应物来说很容易获得,并且具有选择性优势,因为它们可以更复杂地操纵反应途径。然而,同质化是一把双刃剑。催化剂越紧密地分散成一种混合物,就越难分离。由于均相催化剂通常是贵金属配合物,如果反应在经济上可行,有效的回收通常是至关重要的。这就是为什么尽管均相催化剂有优势,但化学和石化工业中约四分之三的过程依赖于均相催化剂而不是均相催化剂。

均相催化剂最常见的回收方法是蒸馏,这是一种能源密集型的方法,只能回收金属,而不能回收配体。随着化学寻求远离化石燃料,电化学替代热过程是非常可取的。最常见的技术只是在反应容器中电解以沉积贵金属,但这需要高电压,并且还会收集不需要的离子。

苏小伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的同事们采取了一种更微妙的方法,在电池的阳极上涂上一层二茂铁金属聚合物。当在反应混合物上施加中等电压时,阴离子催化剂被吸引到二茂铁上并选择性地吸附在上面。“聚合物本身有有机金属单元,这些单元与整个催化剂复合物有软电荷转移相互作用……这就是我们的选择性,”苏解释说。一个关键的好处是,这个过程不会把配体从贵金属上撕下来。苏说:“我们不会使用太高的电压,以至于金属会沉淀下来。”当电位逆转时,催化剂从聚合物中解吸,可以重复使用。

研究人员测试了几种工业贵金属催化剂,用于硅烷醚化、硅氢化和铃木交叉偶联等反应,结果令人满意。苏说:“对于硅氢化反应,我们进行了技术经济分析,表明它在商业上是可行的。”研究人员现在打算开发其他聚合物来选择性地结合其他阴离子和阳离子催化剂。苏说,解决问题的灵丹妙药是使用目前工业上没有使用的均质催化剂。

“我觉得这很聪明,”他说大卫Cole-Hamilton英国圣安德鲁斯大学教授。“重要的是,他们选择了工业催化剂……如果你能把它们作为催化剂回收,而不是像通常那样把它们变成金属,那么这就是一种进步,前提是剥离的成本具有竞争力。”然而,他警告说,“我使用过的大多数催化剂都是中性的,这种方法不会有选择性地去除它们,所以我认为这是一个重大进步,但不是万能的。”