Forskargrupp kombinerar två katalysatorer för att göra vanlig kemisk produktion säkrare och mer miljövänlig

2 molekyler

Den kemiska industrin har länge skuggats av ovälkomna bilder av böljande skorstenar och rör som släpper ut giftigt avloppsvatten. Moderna tillverkningsmetoder har gjort mycket för att minska industrins miljöpåverkan, men det finns fortfarande utrymme för förbättringar.

Att göra kemin mer miljövänlig är en passion och ett viktigt forskningsfokus för Karthish Manthiram, professor i kemiteknik och kemi vid Caltech och William H. Hurt Scholar.

I en artikel som publicerats i tidskriften Science beskriver Manthirams laboratorium utvecklingen av en katalysator för att producera en allmänt använd kemisk råvara utan de giftiga och farliga kemikalier som normalt krävs för dess produktion.

Den kemiska råvaran, propylenoxid, är en organisk förening som används i en mängd olika applikationer, inklusive tillverkning av skum, plast och frostskyddsmedel, samt för desinfektion och sterilisering. Traditionellt framställs propylenoxid genom att propylen reagerar med antingen hypoklorsyra eller väteperoxid. Båda har sina egna nackdelar.

”Med hypoklorsyra får man en biprodukt i form av klorid som man släpper ut i miljön. Av den anledningen beviljas allt färre tillstånd för anläggningar som använder processen med hypoklorsyra”, säger Manthiram. ”Det har tvingat folk att gå över till peroxidbaserade processer, men då har man en enorm säkerhetsutmaning. Varje gång man har väteperoxid i kontakt med organiska föreningar finns det en överhängande risk för explosioner.”

Gruppens mål var att utveckla en säker metod för produktion av propylenepoxid som inte gav upphov till miljöutsläpp eller hade ett stort koldioxidavtryck. Manthiram berättar att teamet började med att leta efter en katalysator som kunde producera propylenepoxid med hjälp av syreatomen som finns i en vattenmolekyl. Den enda biprodukten skulle vara vätgas, som kan användas som bränsle eller vid tillverkning av andra kemikalier.

”Hela utgångspunkten var att vatten är säkert”, säger han. ”Det utgör ingen inneboende säkerhetsrisk, och det finns ingen miljöskadlig biprodukt från processen. Istället tillverkar man vätgas, vilket är något som vi behöver göra mer av i framtiden. Det var där vi började.”

Gruppen valde ut två katalysatorer: platinaoxid och palladiumoxid. Båda utförde den reaktion som teamet ville ha, men inte tillräckligt bra för att vara användbara. Platinaoxid producerade propylenepoxid vid höga hastigheter, men på ett rörigt sätt, vilket skapade många oönskade biprodukter. Palladiumoxid producerade däremot propylenepoxid med färre biprodukter, men det gick ganska långsamt.

Manthiram säger att lösningen var att kombinera de två katalysatorerna.

”Att sätta ihop de två löste faktiskt problemet”, säger Minju Chung, huvudförfattare och tidigare postdoktoral forskare vid Georgia Institute of Technology, nu vid MIT. ”Sedan ägnade vi mycket tid åt att förstå varför den blandningen fungerar bättre. Det är ingen enkel förklaring.”

Med hjälp av röntgenabsorptionsspektroskopi (en teknik som kan avslöja den atomära och elektroniska strukturen hos material genom att bombardera dem med röntgenstrålar) fastställde forskarna att i en blandning av platinaoxid och palladiumoxid finns platina i ett tillstånd som gör den till en mer effektiv katalysator.

”Det visar sig att en av de mest dramatiska effekterna av att gå från platinaoxid till palladium-platinumoxid är att man kan stabilisera platina i ett högre oxidationstillstånd”, säger Manthiram. ”I ett högre oxidationstillstånd är det syre som är bundet till platina mer berövat på elektroner, vilket gör det mer reaktivt med det elektronrika propenet. Vi ser genom en hel serie experiment att stabilisering av platina i ett högre oxidationstillstånd leder till avsevärt förbättrad hastighet och effektivitet vid epoxidering av propen.”

Med den nya katalysatorn är produktionshastigheten för propylenoxid 10 gånger högre än vad som tidigare hade uppnåtts, och effektiviteten ökar med 13 procent, säger Manthiram.

Manthiram säger att framtida forskning kommer att fokusera på att testa katalysatorn för att se hur den kan tas från en laboratorieuppställning till industriella miljöer. Det kommer att kräva analyser som undersöker hur länge katalysatorn håller innan den bryts ned och hur väl den fungerar i större skala, samt utveckling av en process för att avlägsna propylenepoxiden från systemet när den produceras.

”Det är dags att ta det här materialet från det grundläggande vetenskapliga sammanhanget”, säger han. ”Det kommer att vara väldigt upplysande för oss eftersom det kommer att visa oss vilka saker vi bör arbeta med härnäst.”

Artikeln som beskriver arbetet, ”Direct propylene epoxidation via water activation over Pd-Pt electrocatalysts”, publiceras i Science den 4 januari.

Ytterligare information: Minju Chung et al, Direct propylene epoxidation via water activation over Pd-Pt electrocatalysts, Science (2024). DOI: 10.1126/science.adh4355

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.