麻省理工学院的化学家们现在设计了一种新型的光氧化还原催化剂，可以更容易地将光驱动反应纳入制造过程。与大多数现有的光氧化还原催化剂不同，这种新型材料是不溶的，因此可以反复使用。这种催化剂可用于涂覆管道，并在反应物流过管道时对其进行化学转化。

“能够回收催化剂是在制造中使用光氧化还原催化所要克服的最大挑战之一。我们希望通过能够用固定催化剂进行流动化学，我们可以提供一种更大规模的光氧化还原催化的新方法，”麻省理工学院博士后、这项新研究的联合主要作者理查德·刘说。

这种新型催化剂可以进行多种不同类型的反应，也可以加入到其他材料中，包括纺织品或颗粒。

Timothy Swager，麻省理工学院John D. MacArthur化学教授，是这篇论文的资深作者自然通讯．麻省理工学院的研究科学家郭生和麻省理工学院的研究生罗少雄也是这篇论文的作者。

混合材料

光氧化还原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，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。

化学家们开发了两类主要的光氧化还原催化剂，即均相催化剂和多相催化剂。均相催化剂通常由有机染料或吸光金属配合物组成。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。这意味着它们不能轻易移除并再次使用。

另一方面，多相催化剂是固态矿物或晶体材料，可以形成片状或三维结构。这些材料不溶解，所以可以多次使用。然而，这些催化剂很难调整以达到期望的反应。

为了结合这两种催化剂的优点，研究人员决定将构成均相催化剂的染料嵌入固体聚合物中。在这项应用中，研究人员采用了一种类似塑料的聚合物，这种聚合物具有微小的孔隙，他们之前曾开发过这种聚合物用于气体分离。在这项研究中，研究人员证明他们可以将大约12种不同的均相催化剂加入到他们的新混合材料中，但他们相信它可以发挥更多的作用。

“这些混合催化剂具有非均相催化剂的可回收性和耐用性，但也具有均相催化剂的精确可调性，”刘说。“你可以在不失去其化学活性的情况下加入染料，因此，你可以或多或少地从已知的成千上万的光氧化还原反应中选择，并获得你需要的不溶性催化剂。”

研究人员发现，将催化剂加入聚合物中也有助于提高它们的效率。其中一个原因是，反应物分子可以保持在聚合物的孔隙中，随时准备发生反应。此外，光能可以很容易地沿着聚合物传播，找到等待的反应物。

斯瓦格说:“这种新型聚合物结合了溶液中的分子，并有效地将它们预先浓缩，以便进行反应。”“此外，激发态可以在整个聚合物中快速迁移。聚合物中激发态的迁移率和反应物的分配使得反应比纯溶液过程更快、更有效。”

更高的效率

研究人员还表明，他们可以根据催化剂的用途调整聚合物骨架的物理性质，包括厚度和孔隙度。

作为一个例子，他们展示了他们可以制造出可以粘在氟化管上的氟化聚合物，氟化管通常用于连续流制造。在这种类型的制造过程中，化学反应物流过一系列的管道，同时添加新的成分，或者进行净化或分离等其他步骤。

目前，将光氧化还原反应纳入连续流动过程是一个挑战，因为催化剂很快就会耗尽，所以必须不断地将它们添加到溶液中。将麻省理工学院设计的新型催化剂结合到用于这种制造的管道中，可以使光氧化还原反应在连续流动中进行。管道是透明的，允许来自LED的光到达催化剂并激活它们。

“我们的想法是把催化剂涂在一根管子上，这样你就可以在催化剂保持不变的情况下通过管子进行反应。通过这种方式，你永远不会让催化剂最终进入产品，你也可以获得更高的效率，”刘说。

这种催化剂还可以涂在磁珠上，使它们在反应结束后更容易从溶液中取出，或者涂在反应瓶或纺织品上。研究人员现在正致力于在聚合物中加入更多种类的催化剂，并对聚合物进行优化，以适应不同的可能应用。

这项研究由美国国家科学基金会和KAUST传感器计划资助。