Forskere afslører atomaktivitet af grøn katalysator, der anvendes i PVC-produktion

En international gruppe af videnskabsmænd har afsløret hemmeligheden bag en guldbaseret katalysator, der er ansvarlig for en ny, miljøvenlig metode til fremstilling af vinylchloridmonomeren (VCM), der bruges til fremstilling af polyvinylchlorid (PVC), verdens tredje mest udbredte plast.

Ved at bruge synkrotronbaserede spektroskopiteknikker og avanceret elektronmikroskopi, forskerne har fastslået, at isolerede guldioner mest effektivt omdanner acetylen, en gas, der stammer fra kul, til VCM -molekylerne, der efterfølgende kan forbindes til dannelse af PVC.

Deres opdagelse kommer midt i bestræbelserne på at erstatte den konventionelle metode til acetylenkonvertering, som bruger en flygtig og potentielt giftig kviksølvholdig katalysator, med en mere stabil, ikke-forurenende metode, der anvender en kulstofunderstøttet guldkatalysator.

Forskerne, som er fra Storbritannien og USA, rapporterede deres resultater i dag (30. marts) i Videnskab magasin, verdens førende videnskabstidsskrift, i en artikel med titlen "Identifikation af enkeltsteds guldkatalyse ved acetylenhydrochlorering."

Artiklens hovedforfatter er Grazia Malta fra Cardiff Catalysis Institute ved Cardiff University i Storbritannien, som blev overvåget af Graham J. Hutchings, instituttets direktør. Lehigh University deltagere i forskningen var Christopher J. Kiely, professor i materialevidenskab og kemiteknik og Li Lu, en ph.d. kandidat i materialevidenskab. Kiely er også meddirektør for Cardiff Catalysis Institute.

Gruppen undersøgte katalysatorerne før og efter brug i Lehighs aberrationskorrigerede JEOL JEM-ARM200CF scanning transmission elektronmikroskop (STEM), som er et af de mest kraftfulde instrumenter af sin art og tillader billeddannelse og kemisk analyse af materialer på atomniveau.

Gruppen udførte også udvidede x-ray absorption fine structure (EXAFS) og x-ray absorption near edge structure (XANES) eksperimenter ved hjælp af Diamond Synchrotron Facility i Storbritannien for at studere katalysatoren under arbejdsreaktionsbetingelser.

"Disse eksperimenter hjalp os med at bestemme, at atomisk spredt guld - hvor atomerne er adskilt på kulstofstøtten og ikke rører - er den ideelle form for katalytiske arter til denne reaktion, " siger Kiely.

"De viste os også, at du har brug for guldatomerne for at blive ioniseret - dvs. mangler nogle af deres elektroner - for at konverteringen kan finde sted."

Ledet af C. Richard A. Catlow fra Cardiff Catalysis Institute og University College London, gruppen modellerede også teoretisk reaktionen ved hjælp af isolerede guldioner og bekræftede de eksperimentelle resultater.

"Forskere har vidst, at du kan bruge atomisk spredt guld i homogene katalyserede reaktioner udført i opløsning, " siger Kiely. "Her, vi har formået at forankre atomisk spredt guld på en solid støtte og opnå en lignende effekt."

Kiely og Hutchings, der har samarbejdet i flere årtier, rapporterede i en artikel i magasinet Nature Communications sidste år, at for en anden reaktion, nemlig lavtemperaturoxidationen af ​​carbonmonoxid til carbondioxid, en anden guldentitet - ultrasmå klynger bestående af nogle få guldatomer - var den mest aktive art.

Resultaterne af begge disse projekter vil hjælpe Kiely og Hutchings med at designe og optimere guldbaserede katalysatorsystemer til brug i andre vigtige reaktioner, såsom vand-gas-skift reaktionen, som danner brint.

PVC er blevet en uundværlig del af det moderne liv. Dens anvendelser omfatter konstruktionsrør, kreditkort, vindues- og dørkarme, VVS udstyr, og elektrisk kabelisolering.

Ud over acetylenhydrochlorering, VCM -molekylets forløber til PVC kan fremstilles af ethylen, et biprodukt fra olieraffinering, der også kan isoleres fra naturgas. Men acetylenhydrochlorering er fortsat den dominerende vej til PVC-produktion i nogle lande, der har rigelige kulreserver.

At omdanne kul-afledt acetylen til VCM-prækursoren, siger Kiely, kemiingeniører i det sidste halve århundrede har reageret det med saltsyre (HCl) i nærværelse af en kviksølvchloridkatalysator. Men katalysatoren er flygtig ved reaktionstemperaturer, lader det giftige kviksølv fordampe, flygte ud i miljøet og forurene landbrugsjord og vandområder.

I begyndelsen af ​​1980’erne, Hutchings viste, at en mere godartet, kulstofunderstøttet guldkatalysator kunne bruges til at omdanne acetylen til VCM. Hans opdagelse vakte en del opmærksomhed på det tidspunkt, men blev ikke udnyttet kommercielt, da katalysatoren krævede relativt store mængder dyrt guld og ikke var særlig stabilt.

I 2007 Johnson Matthey, en global specialkemikalievirksomhed baseret i Storbritannien, blev interesseret i Hutchings' resultater og begyndte at arbejde på at lave en stabil guld-på-kulstof-katalysator med mindre guld. Virksomheden udviklede en katalysator ved navn Pricat MFC, som nu er gået i kommerciel brug i et stort kinesisk PVC-anlæg. Kina, verdens største producent og forbruger af PVC, er stadig afhængig af kul til at producere VCM-produktet.

I mellemtiden, Minamata-konventionen fra 2013 om kviksølv, som er blevet underskrevet af næsten 140 nationer, forbyder opførelsen af ​​nye VCM-anlæg, der anvender kviksølvklorid efter 2017, og kræver, at alle VCM-anlæg skal være kviksølvfrie i 2022.

Hutchings' tidlige arbejde, kommercialiseringsindsatsen fra Johnson Matthey og den seneste opdagelse af atomskalaen i den kulstofunderstøttede guldkatalysator, siger Kiely, give anledning til håb om, at målene for Minamata-konventionen kan nås.

De repræsenterer også en næsten hidtil uset præstation inden for katalyse.

"Forskere tilpasser og optimerer altid katalysatorformuleringer, " siger Kiely. "Men, Det er første gang i 50 år, at jeg kan huske, hvor vi har udskiftet en industristandardkatalysator, der blev brugt i en større reaktion, med et helt andet katalysatorsystem. "