Representation av kol-vätebrytningsreaktionen med en spindel. Olefiner, det vill säga molekyler med en dubbelbindning mellan kolen (C=C, grön låda) genereras från en oreaktiv molekyl av naturgaser (violett låda). Reaktionen inkluderar en noggrant vald titan (Ti)-baserad katalysator, representeras av hjulet och en additiv molekyl, avbildad på spolen. Tillsatsen hjälper hjulet att snurra, att återvinna katalysatorn tillbaka till sin ursprungliga form, så den kan användas igen för att underlätta en annan reaktion. Olefiner är den kemiska råvaran för en mängd andra kemikalier, som plast, ledande polymerer, mediciner, etc. Denna reaktion kan utföras vid låga temperaturer och det är första gången som den kan göras billigt. Kredit:Institutet för grundvetenskap
De finns runt omkring dig! De flesta plaster, ledande polymerer, och till och med mediciner härrör från molekyler med en dubbelbindning mellan två kolatomer, C=C. Dessa molekyler kallas olefiner och produceras huvudsakligen från fossila bränslen genom en energikrävande och förorenande process som kallas ångkrackning. Den kräver temperaturer på 800°C och producerar växthusgasen koldioxid. Onödigt i dag, alternativ till denna process som kan ge miljömässiga och ekonomiska fördelar är mycket eftertraktade.
Ett team av forskare från Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalizations, inom Institutet för grundvetenskap (IBS), i samarbete med prof. Daniel J. Mindiola från University of Pennsylvania, åstadkom en reaktion som tidigare inte var möjlig; de producerade olefiner med billiga lättillgängliga ingredienser och vid låg temperatur (75°C). Detta forskningsresultat, publiceras i Naturkemi , banar väg för en effektiv användning av naturgaser för att syntetisera viktiga kemiska produkter.
Naturgaser, som metan och etan, har starka kol-väte (C-H) bindningar som är svåra att bryta. Forskargruppen lyckades omvandla sådana oreaktiva molekyler till olefiner, den kemiska råvaran i en mängd produkter vi använder i vårt dagliga liv.
Denna typ av olefinframställningsmetod är baserad på dehydrering, det är avlägsnandet av väte som leder till skapandet av C=C-bindningen, märket av olefiner. Eftersom energin som krävs för att bryta de starka C-H-bindningarna är för hög, reaktionen kan endast åstadkommas med hjälp av andra molekyler, kallas katalysatorer. Tidigare, dehydrering var möjlig endast med katalysatorer baserade på dyra metaller, som iridium.
Datorgenererad energiprofil för reaktionen. Datorsimuleringar kan förutsäga de mellanliggande komponenterna i den kemiska reaktionen och hur mycket energi som krävs för att erhålla dem. Kredit:Institutet för grundvetenskap
Studien uppnådde den billiga produktionen av olefiner tack vare ett synergistiskt lagarbete mellan dator- och experimentkemister. Genom att simulera hela den kemiska processen, IBS datorkemister rådde sina kollegor vid University of Pennsylvania om billig titanbaserad katalysator att testa.
"Vi flyttade från iridium, som är så sällsynt och dyrt att det kallas "gudarnas element", till en absolut billig metall, titan; ett grundämne vi alla känner till eftersom det i stor utsträckning används som vitt pigment för keramik, papper, och tandblekningsmedel, " förklarar BAIK Mu-Hyun, den ledande författaren från IBS. "Datorsimuleringen förutsäger varje elektrons rörelse och hur molekyler kommer att interagera, så det gjorde det möjligt för oss att förkorta utvecklingstiden."
För att sammanfatta, studien visade att framställning av olefiner på ett billigt, energieffektivt sätt är möjligt. Reaktionen kan utföras vid låg temperatur och titankatalysatorn kan delvis återvinnas, så den kan användas igen för att dehydrera mer naturgas. Nästa utmaning för forskargruppen är att göra den titanbaserade katalysatorn mer effektiv.
