Ny teknologi fuldender vital klasse af industrielle reaktioner fem gange hurtigere

Alt fra produktion af gødning og plast, til flydende brændstoffer og lægemidler kræver en vigtig kemisk reaktion kendt som hydrogenering. Dette er en proces, der involverer tilsætning af hydrogen til umættede kemiske bindinger. Forøgelse af hydrogeneringshastigheden kan føre til højere udbytter for industrier og lavere miljøpåvirkninger.

Nu, et hold forskere, ledet af lektor Yan Ning fra Department of Chemical and Biomolecular Engineering ved National University of Singapore (NUS), er kommet med en metode til at øge hastigheden af ​​ethylenhydrogenering mere end fem gange i forhold til typiske industrielle satser.

Teamet opnåede dette ved hjælp af en radikalt anderledes tilgang. I modsætning til de fleste nuværende hydrogeneringsprocesser, der anvender en statisk fast katalysator til at fremskynde reaktionen, teknikken udviklet af NUS -forskere anvender oscillerende elektriske potentialer til en kommerciel hydrogeneringskatalysator, som derefter dramatisk øgede hydrogeneringshastigheden af ​​ethylen til ethan.

"Sådanne forbedringer i hastigheden eller selektiviteten af ​​kemiske reaktioner er medvirkende til at gøre en kemisk proces mere effektiv. Vores arbejde demonstrerer en mere direkte og omkostningseffektiv måde at optimere katalysatorydelse, der ligger ud over konventionelle metoder, "Assoc Prof Yan sagde.

Teamets banebrydende arbejde blev offentliggjort i JACS Au den 14. april 2021.

Forbedring af hydrogeneringskatalyse med oscillerende elektriske potentialer

De fleste hydrogeneringskatalysatorer er blevet udviklet gennem mange århundreder, men udviklingen af ​​nye katalysatorer har typisk været begrænset til konventionelle materialedesignmetoder. Et par undersøgelser har vist, at katalyse kan fremmes ved at anvende elektriske potentialer på katalysatoren. Selvom disse metoder allerede har forbedret selektiviteten og aktiviteten af ​​heterogene katalysatorer under statiske forhold, brugen af ​​dynamiske eksterne stimuli er blevet uudforsket.

De nye fund fra NUS -teamet tilbyder et avanceret ingeniørværktøj, der bruger oscillerende elektriske potentialer til at fremme hastigheden af ​​kemiske reaktioner uden udvikling af nye katalytiske materialer.

For at opnå dette, NUS-teamet udførte forsøg med en kommerciel palladiumkatalysator i en elektrokemisk reaktor i laboratorieskala, og observerede en hastighedsforøgelse på fem gange under optimale dynamiske forhold. Det lykkedes dem at korrelere hastighedsforøgelsen med dobbeltlagets kapacitans-en indikator for den lokale elektriske feltstyrke ved katalysator-elektrolytgrænsefladen-ved at bruge forskellige elektrolytopløsninger. Katalysatorens egenskaber ændres periodisk og kontinuerligt, hvilket fremskyndede trinene i ethylenhydrogeneringsreaktionen.

Forskerne gennemførte yderligere kinetiske eksperimenter, som antydede, at forbedringen kunne relateres til delvis fjernelse af stærkt adsorberet hydrogen fra katalysatoroverfladen ved et negativt potentiale, og den efterfølgende adsorption og hydrogenering af ethylen ved et positivt potentiale.

Teamets resultater illustrerer muligheden for at bruge oscillerende potentialer til at forbedre den katalytiske hastighed for en relativt simpel hydrogeneringsreaktion. En lignende tilgang kunne udvides til at kontrollere aktiviteten og selektiviteten af ​​en lang række katalytiske reaktioner.

Næste skridt

NUS -teamet gennemfører flere undersøgelser for at forbedre deres forståelse af de grundlæggende principper bag deres nye teknik. De søger også at videreudvikle deres tilgang til en generel strategi for forbedring af katalysatorer ud over deres 'statiske optimal'.