Billig, energieffektiv og ren reaktion til fremstilling af kemisk råmateriale

De er overalt omkring dig! De fleste plastik, ledende polymerer, og endda medicin stammer fra molekyler med en dobbeltbinding mellem to kulstofatomer, C=C. Disse molekyler kaldes olefiner og er hovedsageligt fremstillet af fossile brændstoffer gennem en energikrævende og forurenende proces kendt som dampkrakning. Det kræver temperaturer på 800°C og producerer drivhusgassen kuldioxid. Unødvendig i dag, alternativer til denne proces, som kan give miljømæssige og økonomiske fordele, er meget eftertragtede.

Et team af forskere fra Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalizations, inden for Institut for Grundvidenskab (IBS), i samarbejde med prof. Daniel J. Mindiola fra University of Pennsylvania, gennemførte en reaktion, der ikke var mulig før; de producerede olefiner med billige let tilgængelige ingredienser og ved lav temperatur (75°C). Dette forskningsresultat, udgivet i Naturkemi , baner vejen for en effektiv anvendelse af naturgasser til at syntetisere vigtige kemiske produkter.

Naturgasser, såsom metan og ethan, har stærke carbon-hydrogen (C-H) bindinger, som er svære at bryde. Forskerholdet formåede at omdanne sådanne ureaktive molekyler til olefiner, det kemiske råmateriale til et utal af produkter, vi bruger i vores daglige liv.

Denne type olefinproduktionsmetode er baseret på dehydrogenering, det er fjernelse af hydrogener, som fører til dannelsen af ​​C=C-bindingen, mærket af olefiner. Da den nødvendige energi til at bryde de stærke CH-bindinger er for høj, reaktionen kan kun udføres ved hjælp af andre molekyler, kaldet katalysatorer. Tidligere, dehydrogenering var kun mulig med katalysatorer baseret på dyre metaller, som iridium.

Undersøgelsen opnåede den billige produktion af olefiner takket være et synergistisk teamwork mellem computer- og eksperimentelle kemikere. Ved at simulere hele den kemiske proces, IBS computerkemikere rådgav deres kolleger på University of Pennsylvania om billig titanium-baseret katalysator at teste.

"Vi flyttede fra iridium, som er så sjældent og dyrt, at det kaldes 'gudernes element', til et absolut billigt metal, titanium; et grundstof vi alle kender, da det i vid udstrækning bruges som hvidt pigment til keramik, papir, og tandbleger, " forklarer BAIK Mu-Hyun, den førende forfatter fra IBS. "Computersimuleringen forudsiger bevægelsen af ​​hver elektron, og hvordan molekyler kommer til at interagere, så det gav os mulighed for at forkorte udviklingstiden."

At opsummere, undersøgelsen viste, at fremstilling af olefiner på en billig, energieffektiv måde er mulig. Reaktionen kan udføres ved lav temperatur, og titaniumkatalysatoren kan delvist recirkuleres, så det kan bruges igen til at dehydrogenere mere naturgas. Den næste udfordring for forskerholdet er at gøre den titanium-baserede katalysator mere effektiv.