Электрохимический синтез теперь возможен без источника электроэнергии

Синтез органических соединений и полимеров лежит в основе многих отраслей обрабатывающей промышленности. Новые методы «электрифицирующего а», которые могут сочетать обычную синтетическую химию с электрохимией, делают шаг ближе к устойчивому завтрашнему дню. Эти реакции не требуют потенциально вредных химических реагентов. Они осуществляют органический синтез, просто используя электроны от источника электроии для проведения окислительно-восстановительных реакций.



Помимо того, что эти реакции безвредны для окружающей среды, их также можно сделать более или менее селективными путем точной настройки электрических потенциалов. Однако их зависимость от источника питания ограничивает их применение в автономных, таких как аэрокосмические и глубоководные.

Решение этой противоречивой проблемы было предложено группой исследователей под руководством профессора Шинсуке Инаги из Токийского технологического института (Tokyo Tech), Япония. В своем недавнем исследовании, опубликованном в Коммуникации Химия, команда предоставила доказательство концепции электрохимической полимеризации органических ароматических мономеров без внешнего источника питания. Профессор Инаги объясняет: «Мы наблюдаем огромный скачок в разработке электрохимических реакторов для проведения органического синтеза, но для большинства из них требуется источник энергии. Мы хотели построить энергонезависимую систему, чтобы сделать процесс более доступным. И мы нашли ответ на наши поиски в потоковой электрохимии, управляемой потенциалом».

В чем именно заключается потенциал потоковой передачи, о котором говорит профессор Инаги?

Когда электролит течет по микроканалу, за счет этого движения создается перепад давления. Это приводит к дисбалансу заряда, что приводит к возникновению потокового потенциала. Для своих экспериментов команда использовала изготовленную на заказ двухкамерную ячейку из полиэфирэфиркетона (или PEEK), соединенную платиновыми проводами, и микротрубку из PEEK. Эта микротрубка из PEEK была плотно заполнена ватой для создания перепада давления. Когда они пропускали электролит через микротрубку, он генерировал потенциал потока, который мог обеспечить достаточно энергии для запуска желаемых химических реакций.

Когда ячейка работала, электроды в двухкамерной ячейке испытывали потенциал потока как вверх, так и вниз по течению, что позволяло ячейке вести себя как нечто, называемое разделенным биполярным электродом (BPE). Эта установка BPE, сопровождаемая генерируемым текущим потенциалом 2-3 вольт, отвечала за создание условий, благоприятных для окислительно-восстановительных реакций органических мономеров.

Чтобы проверить способность этой установки к полимеризации, команда выбрала два ароматических органических соединения: пиррол (Py) и 3,4-этилендиокситиофен (EDOT). Оба этих мономера были успешно электрополимеризованы в полипиррол (PPy) и поли-ЭДОТ (PEDOT) соответственно без использования внешнего источника питания!

Этот новый, работающий под давлением, экологически чистый, независимый от источника питания реактор открывает новые возможности для электрификации реакций синтеза. Выводы из этого исследования также могут оказаться полезными при разработке новых электрохимических реакторов для синтеза полезных органических соединений и полимеров. «Весь мир пытается сделать основные промышленные процессы более экологичными и чистыми. Поскольку органический синтез лежит в основе многих химических производств, мы попытались разработать процесс электросинтеза, который требует минимальных ресурсов и способствует достижению целей устойчивого развития», — заключает проф. Инаги.