Allt från produktion av gödningsmedel och plast, för flytande bränslen och läkemedel kräver en viktig kemisk reaktion som kallas hydrogenering. Detta är en process som innefattar tillsats av väte till omättade kemiska bindningar. Att öka hydreringsgraden kan leda till högre avkastning för industrier och lägre miljöpåverkan.

Nu, ett team av forskare, ledd av docent Yan Ning från Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik vid National University of Singapore (NUS), har kommit på en metod för att öka hastigheten för etylenhydrogenering med mer än fem gånger jämfört med typiska industriella hastigheter.

Teamet uppnådde detta med ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt. Till skillnad från de flesta nuvarande hydrogeneringsprocesser som använder en statisk fast katalysator för att påskynda reaktionen, tekniken som utvecklats av NUS -forskare tillämpar oscillerande elektriska potentialer till en kommersiell hydrogeneringskatalysator, som sedan dramatiskt ökade hydrogeneringshastigheten för eten till etan.

"Sådana förbättringar av hastigheten eller selektiviteten för kemiska reaktioner är avgörande för att göra en kemisk process mer effektiv. Vårt arbete visar ett mer direkt och kostnadseffektivt sätt att optimera katalysatorprestanda som är bortom konventionella metoder, "Sade prof Yan.

Teamets banbrytande arbete publicerades i JACS Au den 14 april 2021.

Förbättrad hydrogeneringskatalys med oscillerande elektriska potentialer

De flesta hydrogeneringskatalysatorer har utvecklats under många århundraden, men utvecklingen av nya katalysatorer har vanligtvis begränsats till konventionella materialdesignmetoder. Några studier har visat att katalys kan främjas genom att applicera elektriska potentialer på katalysatorn. Även om dessa metoder redan har förbättrat selektiviteten och aktiviteten hos heterogena katalysatorer under statiska förhållanden, användningen av dynamiska yttre stimuli har underexplorerats.

De nya fynden från NUS -teamet erbjuder ett avancerat teknikverktyg som använder oscillerande elektriska potentialer för att främja hastigheten på kemiska reaktioner utan utveckling av nya katalytiska material.

För att uppnå detta, NUS-teamet utförde experiment med en kommersiell palladiumkatalysator i en elektrokemisk reaktor i laboratorieskala, och observerade en hastighetsförbättring på fem gånger under optimala dynamiska förhållanden. De lyckades korrelera hastighetsförbättringen med kapacitansen i två lager-en indikator på den lokala elektriska fältstyrkan vid katalysator-elektrolytgränssnittet-med hjälp av olika elektrolytlösningar. Katalysatorns egenskaper ändrades periodiskt och kontinuerligt, vilket påskyndade stegen som är involverade i etylenhydreringsreaktionen.

Forskarna genomförde ytterligare kinetiska experiment, som föreslog att förbättringen kunde relateras till partiellt avlägsnande av starkt adsorberat väte från katalysatorytan med en negativ potential, och den efterföljande adsorptionen och hydrogeneringen av eten med en positiv potential.

Teamets resultat illustrerar möjligheten att använda oscillerande potentialer för att förbättra den katalytiska hastigheten för en relativt enkel hydrogeneringsreaktion. Ett liknande tillvägagångssätt kan utvidgas för att kontrollera aktiviteten och selektiviteten för ett brett spektrum av katalytiska reaktioner.

Nästa steg

NUS -teamet genomför fler studier för att förbättra deras förståelse av de grundläggande principerna bakom deras nya teknik. De vill också vidareutveckla sitt tillvägagångssätt till en allmän strategi för att förbättra katalysatorer utöver deras "statiska optimalt".