Forskerholdet kombinerer to katalysatorer for at gøre almindelig kemisk produktion sikrere og mere miljøvenlig

Den kemiske industri har længe været overskygget af uvelkomne billeder af bølgende skorstene og rør, der udleder giftigt spildevand. Moderne fremstillingspraksis har gjort meget for at afbøde industriens miljøpåvirkning, men der er stadig plads til forbedringer.

At gøre kemi mere miljøvenlig er en passion og et stort forskningsfokus for Caltechs Karthish Manthiram, professor i kemiteknik og kemi og en William H. Hurt Scholar.

I et papir, der vises i tidsskriftet Science , beskriver Manthirams laboratorium udviklingen af ​​en katalysator til fremstilling af et udbredt kemisk råmateriale uden de giftige og farlige kemikalier, der normalt kræves til dets produktion.

Det kemiske råmateriale, propylenoxid, er en organisk forbindelse, der bruges i en række forskellige anvendelser, herunder fremstilling af skum, plast og frostvæske samt til desinfektion og sterilisering. Traditionelt fremstilles propylenoxid ved at omsætte propylen med enten hypochlorsyre eller hydrogenperoxid. Hver har sin egen ulempe.

"Med hypoklorsyre ender man med et kloridbiprodukt, som man udleder ud i miljøet. Derfor bliver der givet færre og færre tilladelser til at tillade anlæg, der bruger hypoklorsyreprocessen," siger Manthiram. "Det har tvunget folk til at skifte til peroxidbaserede processer, men du har denne enorme sikkerhedsudfordring. Hver gang du har hydrogenperoxid i kontakt med organiske forbindelser, er der en truende fare for eksplosioner."

Gruppens mål var at udvikle en sikker metode til produktion af propylenepoxid, der ikke gav et miljøudledning eller har et stort CO2-fodaftryk. Manthiram siger, at holdet begyndte med at lede efter en katalysator, der er i stand til at producere propylenepoxid ved hjælp af oxygenatomet, der findes i et vandmolekyle. Det eneste biprodukt ville være brintgas, som kan bruges som brændstof eller til fremstilling af andre kemikalier.

"Hele forudsætningen var, at vand er sikkert," siger han. "Det udgør ikke en iboende sikkerhedsrisiko, og der er ikke noget miljøskadeligt biprodukt fra processen. I stedet laver man brint, som er noget, vi skal gøre mere ud af i fremtiden. Det var der, vi startede. "

Gruppen indsnævrede sig på to katalysatorer:platinoxid og palladiumoxid. Begge udførte den reaktion, holdet ønskede, men ikke tilstrækkeligt godt til at være nyttige. Platinoxid producerede propylenepoxid med høje hastigheder, men rodet, hvilket skabte mange uønskede sideprodukter. I modsætning hertil producerede palladiumoxid propylenepoxid med færre biprodukter, men det gjorde det ret langsomt.

Manthiram siger, at løsningen var at kombinere de to katalysatorer.

"At sætte de to sammen endte faktisk med at løse problemet," siger Minju Chung, hovedforfatter og tidligere postdoktor ved Georgia Institute of Technology, nu med MIT. "Så brugte vi meget tid på at forstå, hvorfor den blanding virker bedre. Det er ikke en ligetil forklaring."

Ved hjælp af røntgenabsorptionsspektroskopi (en teknik, der kan afsløre materialers atomare og elektroniske struktur ved at bombardere dem med røntgenstråler), fastslog forskerne, at i en blanding af platinoxid og palladiumoxid eksisterer platinet i en tilstand, der gør det er en mere effektiv katalysator.

"Det viser sig, at en af ​​de mest dramatiske effekter af at gå fra platinoxid til palladium-platinoxid er, at du kan stabilisere platinet i en højere oxidationstilstand," siger Manthiram. "Når den er i en højere oxidationstilstand, er ilten, der er knyttet til platinet, mere frataget af elektroner, hvilket gør det mere reaktivt med det elektronrige propylen. Vi ser gennem en hel række eksperimenter, at stabilisering af platin i en højere oxidationstilstand fører til væsentligt forbedrede hastigheder og effektiviteter af propylenepoxidation."

Ved at bruge den nye katalysator er hastigheden af ​​propylenoxidproduktion 10 gange højere end det, der tidligere var blevet opnået, og effektiviteten øges med 13 procent, siger Manthiram.

Manthiram siger, at fremtidig forskning vil fokusere på at teste katalysatoren for at se, hvordan den kan tages fra et laboratorieopsætning til industrielle omgivelser. Det vil kræve analyser, der undersøger, hvor længe katalysatoren holder, før den nedbrydes, og hvor godt den yder i større skalaer, samt udvikling af en proces til at fjerne propylenepoxiden fra systemet, efterhånden som den produceres.

"Det er på tide at graduere dette materiale fra denne grundlæggende videnskabelige kontekst," siger han. "Det vil være virkelig oplysende for os for os, fordi det vil vise os, hvad der er de næste ting, vi bør arbejde på."

Papiret, der beskriver arbejdet, "Direkte propylenepoxidation via vandaktivering over Pd-Pt-elektrokatalysatorer," vises i 4. januar-udgaven af ​​Science .

Flere oplysninger: Minju Chung et al., Direkte propylenepoxidation via vandaktivering over Pd-Pt-elektrokatalysatorer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh4355

Journaloplysninger: Videnskab

Leveret af California Institute of Technology