由光驱动的化学反应为设计制造药物和其他有用化合物新方法的化学家提供了强大的工具。利用这种光能需要光氧化还原催化剂，它可以吸收光并将能量转移到化学反应中。
麻省理工学院的化学家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连续流动制造工艺。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材并在反应物流过管材时对其进行化学催化。
聚合物催化剂可用于涂覆管材，并在反应物流过管材时对其进行化学转化，正如这幅数字艺术作品中所想象的那样。图片来源：理查德刘
“就能够在制造中使用光氧化还原催化而言，能够回收催化剂是要克服的最大挑战之一。我们希望通过能够使用固定化催化剂进行流动化学，我们可以提供一种新的方法更大规模的光氧化还原催化，”麻省理工学院博士后、新研究的联合主要作者理查德刘说。
可以调整以执行许多不同类型的反应的新催化剂也可以结合到其他材料中，包括纺织品或颗粒。
麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟化学教授蒂莫西·斯瓦格 (Timothy Swager) 是这篇论文的高级作者，该论文发表在《自然通讯》上。麻省理工学院研究科学家郭盛和麻省理工学院研究生罗绍雄也是该论文的作者。
混合材料
光氧化还原催化剂的工作原理是吸收光子，然后利用该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。
化学家已经开发出两类主要的光氧化还原催化剂，称为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，多相催化剂是形成片状或 3D 结构的固体矿物或结晶材料。这些材料不会溶解，因此可以多次使用。然而，这些催化剂更难以调整以实现所需的反应。
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。对于这个应用，研究人员采用了一种类似塑料的聚合物，这种聚合物具有他们之前开发的用于进行气体分离的小孔。在这项研究中，研究人员证明他们可以将十几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，还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数以万计的光氧化还原反应中挑选出来，并获得所需的不溶性催化剂。”
研究人员发现，将催化剂加入聚合物中也有助于提高效率。原因之一是反应物分子可以保留在聚合物的孔中，随时可以反应。此外，光能可以很容易地沿着聚合物传播以找到等待的反应物。
“新聚合物结合溶液中的分子并有效地将它们预浓缩以进行反应，”斯瓦格说：“此外，激发态可以在整个聚合物中快速迁移。激发态的结合迁移率和聚合物中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，他们可以根据他们想要使用催化剂的应用来调整聚合物骨架的物理特性，包括其厚度和孔隙率。
作为一个例子，他们展示了他们可以制造会粘在氟化管上的氟化聚合物，氟化管通常用于连续流动制造。在这种类型的制造过程中，化学反应物流过一系列管子，同时添加新成分，或执行其他步骤，例如纯化或分离。
目前，将光氧化还原反应结合到连续流动过程中具有挑战性，因为催化剂很快用完，因此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催化剂加入用于这种制造的管道中，可以在连续流动期间进行光氧化还原反应。管道是透明的，允许来自 LED 的光到达催化剂并激活它们。
“这个想法是让催化剂涂在管子上，这样你就可以在催化剂留在原地的同时让反应流过管子。这样，你永远不会让催化剂最终进入产品，而且你还可以得到更高的效率，”刘说。
催化剂还可以用于涂覆磁珠，使它们在反应完成后更容易从溶液中拉出，或用于涂覆反应瓶或纺织品。研究人员现在正致力于将更多种类的催化剂加入到他们的聚合物中，并设计聚合物以优化它们以适应不同的可能应用。
