化学品制造商经常使用酒精和苯等有毒溶剂来生产药品和塑料等产品。研究人员正在研究用于制造这些产品的化学反应中一个以前被忽视和误解的现象。这一发现带来了对催化化学的新的基本理解，并为实际应用奠定了基础，有朝一日可能使化学制造更少浪费，更环保。

这项研究由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员大卫·弗莱厄蒂、明尼苏达大学、双子城的研究人员马修·纽罗克和弗吉尼亚理工大学的研究人员艾曼·卡里姆领导，发表在《科学》杂志上。

溶剂和金属纳米颗粒的结合加速了许多化学反应，并有助于最大化化学工业的产量和利润空间。然而，研究人员说，许多溶剂是有毒的，难以安全处理。水也能起作用，但它远不如有机溶剂有效或可靠。这种差异的原因被认为是一些反应物在水中的溶解度有限。然而，实验数据中的多种不规则现象使研究小组意识到，造成这些差异的原因尚未完全了解。

为了更好地理解这一过程，研究小组进行了实验，分析了氧气还原为过氧化氢的过程——一组使用水，另一组使用甲醇，另一组使用水和甲醇的混合物。所有实验均使用钯纳米颗粒。

研究小组发现，残留物或表面氧化还原介质含有含氧物质，包括一种关键成分羟甲基。该研究报告称，它在钯纳米颗粒表面积聚，开辟了新的化学反应途径。

弗莱厄蒂说:“残留物一旦形成，就成为催化循环的一部分，并且很可能是过去40年来研究该反应的溶剂中一些不同效率的原因。”“我们的工作提供了强有力的证据，证明这些表面氧化还原介质在酒精溶剂中形成，它们可能解释这种化学的许多过去的谜团。”

通过多种类型的实验和计算模拟，研究小组了解到这些氧化还原介质有效地将质子和电子转移到反应物中，而纯水中的反应很容易转移质子，但不能转移电子。研究报告称，这些介质还能改变纳米颗粒的表面，从而降低质子和电子转移需要克服的能量屏障。

“我们发现，酒精溶剂和有机添加剂可以反应形成金属结合的表面介质，其作用与我们体内的酶辅因子在催化氧化和还原反应中的作用非常相似，”Neurock说。

此外，这项工作可能对减少化学工业中使用的溶剂和产生的废物的数量有影响。

“我们的研究表明，在某些情况下，化学生产商可以通过向纯水中添加少量添加剂来形成表面氧化还原介质，而不是通过这些反应器泵送数千加仑的有机溶剂，”Flaherty说。

能源和生物科学研究所通过EBI-Shell项目和国家科学基金会支持这项研究。