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Application of Droplet-Based Microfluidics for the Screening of Supramolecular Catalysts

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Erforschung der chemischen Katalyse

Chemische Experimente auf Mikroebene basieren - insbesondere im Fall von Mikrofluiden - auf dem Auffinden und dem Einsatz effizienter Substanzen, die als Katalysatoren bezeichnet werden. Unlängst gelang die Vereinfachung dieses Vorgangs.

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Der Bereich der Mikrofluide ist eine Disziplin, innerhalb derer das Verhalten und die Kontrolle von Fluiden erforscht werden, die auf den Sub-Millimeter-Bereich beschränkt sind. Dieses Forschungsgebiet befindet sich im Spannungsfeld der Biotechnologie, der Chemie, der Ingenieurwissenschaften und der Physik. Das EU-finanzierte MicroDropCat-Projekt ("Application of Droplet-Based Microfluidics for the Screening of Supramolecular Catalysts") entwickelte neue Wege zur Vorbereitung und Klassifizierung von homogenen Katalysatoren. Diese Katalysatoren sind wichtig, da sie innerhalb chemischer Experimente zur Schaffung eines speziellen Reaktionsablaufs Anwendung finden. Diese Methode basiert auf supramolekularen oder selbstorganisierenden Liganden unter Einsatz von tröpfchenbasierten Mikrofluiden. Das Aufspüren und die Vorbereitung von homogenen Katalysatoren erfordern momentan einen hohen Zeitaufwand, dies macht die Notwendigkeit einer effizienteren Methode deutlich. Dieses Hindernis kann durch die supramolekulare Selbstorganisation von Liganden durch reversible nicht-kovalente Wechselwirkungen überwunden werden, um effiziente Liganden zu entdecken. Um dies zu erreichen, fügte das Projektteam basierend auf fundierten Kenntnissen im Bereich Mikrofluiden, Chemieingenieurwesen und Spektroskopie verschiedene Arrays von Tröpfchen mit Nanolitervolumen zusammen, welche komplementäre Liganden enthielten. Diese Tröpfchen wurden anschließend mit einem Übergangsmetall-Präcursor kombiniert, um "katalytische Mikrotröpfchen" zu erzeugen, welche dann in Reaktionsbehältern im Nanolitermaßstab mit Reaktionsmitteln vereinigt wurden. Dieser komplizierte Vorgang ermöglichte die Evaluierung der katalytischen Aktivität bezüglich des Prozesses der Selbstorganisation, der schließlich die erhoffte Ausbeute an Katalysatoren ergab. Die Experimente erhöhten den potenziellen chemischen Raum, innerhalb dessen optimale Liganden gefunden werden können, deutlich. Während einige der Experimente durch Synthesen und Klassifizierungsverfahren auf der Makroskala zurückgeworfen wurden, gelang eine Beschleunigung der Reaktionen durch eine Miniaturisierung des Reaktionsgefäßes. Das Projektteam wird in naher Zukunft die Ergebnisse zu dem neuen katalytischen System, welches bei der Entwicklung eines effizienteren Mikrofluidgeräts Anwendung findet, veröffentlichen. Die grundlegenden wissenschaftlichen und technischen Lösungen für diese ehrgeizige Initiative wurden angelegt und werden als gute Basis für die Realisierung dieses "Gerätes" zur Herstellung von Katalysatoren dienen.

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