Forskere er banebrydende for den nye kemiske konverteringsproces ved lav temperatur

Kemikere bruger meget tid og energi på at få kemiske reaktioner til at begynde eller fremskynde - men nogle gange kan det være lige så vigtigt at stoppe dem, før de går for langt.

I en nylig undersøgelse fra US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, kemikere har identificeret en måde at konvertere cyclohexan til cyclohexen eller cyclohexadien, vigtige kemikalier i en lang række industrielle processer. Vigtigere, denne proces finder sted ved lave temperaturer, eliminering af dannelsen af ​​kuldioxid, der ville have været resultatet af en uønsket nedbrydning af kulstof-kulstofbindinger.

Cyclohexan er et vigtigt startmolekyle i en lang række kemiske reaktioner, ifølge Argonne -kemiker Stefan Vajda, nu på J. Heyrovský Institut for Fysisk Kemi i Prag. Imidlertid, uden en egnet katalysator til at starte reaktionen, omdannelse af cyclohexan til nyttige produkter kræver typisk forhøjede temperaturer, der genereres gennem forbrug af meget energi, og processen kan også lide under dårlig selektivitet.

I undersøgelsen, Vajda og Argonne kemiker Larry Curtiss og deres internationale team af samarbejdspartnere undersøgte en reaktionstype kaldet oxidativ dehydrogenering, hvor brintmolekyler fjernes fra et større molekyle. Ved at skære et begrænset antal hydrogen-kulstofbindinger, reaktionen kan producere cyclohexen og cyclohexadien, før forbrænding til kuldioxid finder sted.

Arbejdet blev forbedret på tidligere undersøgelser af Argonne-teamet om dehydrogenering af cyclohexan og cyclohexen ved at indføre to nøglekomponenter:en koboltoxidkatalysator i sub-nanometerstørrelse på en aluminiumoxidstøtte og et kontrolleret iltmiljø.

Forskerne anvendte røntgenspredningsteknikker ved Argonnes Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, at overvåge katalysatorernes art og stabilitet under den katalytiske test af klyngerne i realtid. De opdagede, at klyngerne udførte delvis dehydrogenering af cyclohexanen ved temperaturer lige omkring 100 grader Celsius - langt lavere end tidligere blevet observeret for denne form for reaktion, og klyngerne bevarede deres oxiderede natur og stabilitet ved reaktionstemperaturer op til 300 ° C.

"Det faktum, at vi kan få denne omdannelse til at ske ved lavere temperaturer, beskytter de mellemliggende dehydrogeneringsprodukter cyclohexen og cyclohexadien fra at blive yderligere omdannet til uønskede produkter, "Sagde Vajda.

Vajda og Curtiss bemærkede, at den stærkt selektive katalysator har lang levetid og ikke bliver forgiftet eller nedbrudt af reaktionen. I teoretisk og eksperimentel undersøgelse af katalysatorens størrelse, forskerne fandt ud af, at klynger med størrelse fire og syvogtyve atomer var nogenlunde lige effektive til at udføre reaktionen. "Det virker som om, så længe katalysatoren er under omtrent en nanometer i størrelse, denne sammensætning fungerer godt - en vigtig faktor for den potentielle opskalering af denne klasse af katalysatorer med mere traditionelle, dog mindre størrelsesselektiv, synteseruter. "sagde Vajda.

For bedre at forstå de grundlæggende mekanismer bag koboltkatalysatorernes aktivitet og selektivitet, forskerne brugte tæthedsfunktionelle teoriberegninger til at modellere reaktionsvejene. "Koboltklyngernes fremragende ydeevne kan forklares ved teoretiske beregninger, som afslører meget aktive koboltatomer i klyngerne og viser, at klyngernes oxiderede natur forårsager produktets lave temperaturdannelse, "Forklarede Curtiss.