Kombinationen av elektrokemi och flödesteknik lovar mycket för hållbar produktion av värdefulla kemikalier, såsom biobaserade råvaror. Forskaren Yiran Cao har utforskat elektrokemisk organisk syntes i flöde, och speciellt mikroreaktorer med kontinuerligt flöde, ett nytt och spännande område som erbjuder flera utmaningar. Cao försvarade sin doktorsexamen. avhandling tisdagen den 7 september.

Elektrokemi handlar om förhållandet mellan elektriska och kemiska processer. Dessa fenomen äger alltid rum i gränssnittet mellan två ledare, en elektrolyt och en elektrod.

Det har flera fördelar jämfört med normala kemiska reaktioner, eftersom det låter dig utföra kemi med spårlösa elektroner som reagens. Detta innebär mindre användning av farliga kemikalier. Det ger dig också möjlighet att använda grön el som kommer från hållbara kraftkällor, som sol- och vindenergi. Den är också mycket avstämbar och skalbar, som gör det möjligt att producera värdefulla kemikalier på ett säkert och hållbart sätt.

Löftet om flöde

I kombination med flödesteknik (som handlar om vätskors dynamik), elektrokemi ger ännu större kontroll över reaktionsförhållandena. Implementering av elektrokemiska reaktioner i flöde, dock, är mycket mer komplicerat än att bara pumpa reaktionsblandningen in i en elektrolytisk cell.

"Att förstå de tekniska principerna bakom observationerna kan hjälpa till att utnyttja teknikens fulla potential, säger Yiran Cao.

I sin avhandling, den kinesiskfödde forskaren har utforskat elektrokemisk organisk syntes i flöde, med fokus på så kallade mikroreaktorer med kontinuerligt flöde, som kan användas för att omvandla biobaserade råvaror.

Hans forskning involverade flera steg, från design och verifiering av en elektrokemisk mikroflödesreaktor, den elektrokemiska omvandlingen av furfural (en typisk biobaserad kemikalie) till värdefulla kemikalier i flöde, till omvandling och acceleration av en gas-vätska tvåfasiga elektrokemiska reaktioner till en mikroflödesreaktor, och den numeriska analysen av vätske-vätska Taylor flödesregimen.

Startpunkt

"Det var mitt mål att kombinera organisk kemi och kemiteknik, som förhoppningsvis kommer att fungera som en användbar referens och utgångspunkt för andra forskare som vill översätta sin elektrokemi till flow, säger forskaren.

"Medan betydande framsteg har gjorts under det senaste decenniet, att gå framåt är inte utan utmaning. Samhället borde fokusera mer på exempel som ger avgörande fördelar, såsom flerfaselektrokemi. Detta har fortfarande i hög grad varit underrepresenterat hittills."

En av utmaningarna som Cao stötte på i sin forskning var igensättningen av kanalerna, som, enligt honom, fortsätter att vara mikroreaktorteknologins akilleshäl. Att lösa dessa problem kräver utan tvekan samverkan mellan kemiingenjörer och kemister från både akademi och industri, han tror.

"Jag är övertygad om att framsteg på dessa aspekter kommer att öka användbarheten av flödesreaktorteknologi och kommer att tänja på gränserna för syntetisk organisk elektrokemi."