Fotosyntese-inspireret proces fremstiller råvarekemikalier

Northwestern University kemikere har hentet inspiration fra planter til at revolutionere den måde, et vigtigt industrielt kemikalie fremstilles på.

Som en første for feltet brugte Northwestern-holdet lys og vand til at omdanne acetylen til ethylen, et meget brugt, meget værdifuldt kemikalie, der er en nøgleingrediens i plast.

Mens denne omdannelse typisk kræver høje temperaturer og tryk, brændbart brint og dyre metaller for at drive reaktionen, er Northwesterns fotosyntese-lignende proces meget billigere og mindre energikrævende. Ikke alene er den nye proces miljøvenlig, den fungerer også utroligt godt – med succes omdanne næsten 100 % af acetylen til ethylen.

"I industrien kræver denne metode energikrævende processer, der kræver høje temperaturer, en ekstern tilførsel af brændbar brintgas og materialer indeholdende ædelmetaller, som er dyre og svære at opnå," siger Northwesterns Francesca Arcudi, medførsteforfatter af undersøgelsen . "Vores nye strategi løser alle disse problemer på én gang. Den fungerer ved hjælp af lys og vand i stedet for høje temperaturer og brint. Og i stedet for dyre metaller bruger vi naturligt rigelige, billige materialer."

Den resulterende strategi fungerede chokerende godt. Mens den nuværende industrielle proces resulterer i 90 % selektivitet for ethylen, har den nordvestlige tilgang 99 % selektivitet for ethylen.

"Dette er vigtigt, fordi det er et råvarekemikalie med høj økonomisk værdi," sagde Northwesterns Luka Ðorđević, medforfatter af undersøgelsen. "Jo mere du kan producere uden spild, jo bedre."

Undersøgelsen vil blive offentliggjort torsdag (9. juni) i tidsskriftet Nature Chemistry. Det er den første rapport om forskere, der bruger lys til at omdanne acetylen til ethylen.

Dette papir er et resultat af et samarbejde mellem Emily Weiss og Samuel I. Stupp og deres fælles indsats som en del af Center for Bio-Inspireret Energividenskab (CBES) i Northwestern. Weiss, professor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, er papirets tilsvarende forfatter. Arcudi er postdoc i Weiss' laboratorium. Ðorđević er postdoc i Stupps laboratorium. Stupp er bestyrelsesprofessor i materialevidenskab og teknik, kemi, medicin og biomedicinsk teknik ved Northwestern, med ansættelser i Weinberg College, McCormick School of Engineering og Northwestern University Feinberg School of Medicine.

"Hos CBES stræber vi efter at løse grundlæggende udfordringer ved at hente inspiration fra naturen," sagde Stupp, direktøren for CBES. "Vitamin B12, en af ​​få naturligt forekommende organometalliske co-faktorer, blev brugt i dette papir som en inspirationskilde til at designe vores katalysator."

Som forløber for 50-60 % af al verdens plastik er ethylen en varm råvare. For at imødekomme den stadigt stigende efterspørgsel efter det værdifulde kemikalie, producerer industrien mere end 200 millioner tons ethylen om året.

For at generere ethylen bruger kemikere dampkrakning, en industriel metode, der anvender varm damp til at nedbryde ethan til mindre molekyler, som derefter destilleres til ethylen. Men det resulterende kemikalie indeholder en lille mængde acetylen, en forurening, der deaktiverer katalysatorer for at forhindre, at ethylen korrekt omdannes til plastik. Inden ethylenet kan omdannes til plast, skal acetylenet fjernes eller omdannes til ethylen.

"Fjernelse eller omdannelse af acetylen for at få ren ethylen er en proces, der er velkendt i industrien," sagde Weiss. "Processen har mange problemer, og det er grunden til, at det videnskabelige samfund har forsøgt at foreslå et alternativ til denne proces. Fremstilling af polymer-kvalitet ethylen fra kuldioxid-råmateriale er et ønskeligt alternativ, men denne rute er ikke udviklet nok endnu. Vores strategi er et første og stort skridt mod at producere dette vigtige råvarekemikalie med det lavest mulige energifodaftryk."

Især er der brug for en utrolig mængde energi for at nå de høje temperaturer og tryk, der kræves for en vellykket kemisk reaktion. Det kræver også dyre katalysatorer fremstillet af ædelmetaller, såsom palladium. Og fordi processen er afhængig af protoner fra brint, som er produceret af fossile brændstoffer, genererer den enorme mængder kuldioxid.

Northwesterns strategi omgår alle disse spørgsmål. For at omdanne acetylen til ethylen erstattede Northwesterns kemikere palladiumkatalysatoren med kobolt, et billigere, mere rigeligt alternativ. De brugte også stuetemperatur og omgivende tryk. I stedet for varme brugte de synligt lys. Og endelig erstattede de brint med almindeligt vand som en kilde til protoner.

Undersøgelsen har titlen "Selektiv fotokatalyse af synligt lys af acetylen til ethylen ved hjælp af en koboltmolekylær katalysator og vand som en protonkilde." + Udforsk yderligere

Forskere foreslår ny metode til elektrokatalytisk hydrogenering af acetylen til ethylen under stuetemperatur