Katalys driven av ljus och vatten producerar eten av polymerkvalitet. Kredit:Northwestern University
Northwestern University kemister har hämtat inspiration från växter för att revolutionera hur en viktig industriell kemikalie tillverkas.
I en första för fältet använde Northwestern-teamet ljus och vatten för att omvandla acetylen till eten, en allmänt använd, mycket värdefull kemikalie som är en nyckelingrediens i plast.
Även om denna omvandling vanligtvis kräver höga temperaturer och tryck, brandfarligt väte och dyra metaller för att driva reaktionen, är Northwesterns fotosyntesliknande process mycket billigare och mindre energikrävande. Den nya processen är inte bara miljövänlig, den fungerar också otroligt bra – framgångsrikt omvandlar nästan 100 % av acetylen till eten.
"Inom industrin kräver denna metod energikrävande processer som kräver höga temperaturer, en extern tillförsel av brandfarlig vätgas och material som innehåller ädelmetaller, som är dyra och svåra att få tag på", säger Francesca Arcudi från Northwestern, medförfattare till studien. . "Vår nya strategi löser alla dessa problem på en gång. Den använder ljus och vatten i stället för höga temperaturer och väte. Och istället för dyra metaller använder vi naturligt rikliga, billiga material."
Den resulterande strategin fungerade chockerande bra. Medan den nuvarande industriella processen resulterar i 90 % selektivitet för eten, har den nordvästra metoden 99 % selektivitet för eten.
"Detta är viktigt eftersom det är en råvarukemikalie med högt ekonomiskt värde", säger Northwesterns Luka Ðorđević, medförfattare till studien. "Ju mer du kan producera utan avfall, desto bättre."
Studien kommer att publiceras på torsdag (9 juni) i tidskriften Nature Chemistry. Det är den första rapporten om forskare som använder ljus för att omvandla acetylen till eten.
Denna artikel är ett resultat av ett samarbete mellan Emily Weiss och Samuel I. Stupp och deras gemensamma ansträngning som en del av Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) på Northwestern. Weiss, professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences, är tidningens motsvarande författare. Arcudi är postdoktor vid Weiss laboratorium. Ðorđević är postdoktor vid Stupps laboratorium. Stupp är styrelsens professor i materialvetenskap och teknik, kemi, medicin och biomedicinsk teknik vid Northwestern, med utnämningar vid Weinberg College, McCormick School of Engineering och Northwestern University Feinberg School of Medicine.
"På CBES strävar vi efter att möta grundläggande utmaningar genom att hämta inspiration från naturen", säger Stupp, chef för CBES. "Vitamin B12, en av få naturligt förekommande metallorganiska kofaktorer, användes i denna artikel som en inspirationskälla för att designa vår katalysator."
Som föregångare till 50-60 % av all världens plast är eten en het handelsvara. För att möta den ständigt ökande efterfrågan på den värdefulla kemikalien, producerar industrin mer än 200 miljoner ton eten per år.
För att generera eten använder kemister ångkrackning, en industriell metod som använder het ånga för att bryta ner etan till mindre molekyler, som sedan destilleras till eten. Men den resulterande kemikalien innehåller en liten mängd acetylen, en förorening som avaktiverar katalysatorer för att förhindra att eten omvandlas till plast. Innan etenet kan förvandlas till plast måste acetylenet tas bort eller omvandlas till eten.
"Avlägsnandet eller omvandlingen av acetylen för att få ren eten är en process som är välkänd i branschen," sa Weiss. "Processen har många problem, vilket är anledningen till att forskarvärlden har försökt föreslå ett alternativ till denna process. Att producera eten av polymerkvalitet från koldioxidråvara är ett önskvärt alternativ, men denna väg är inte tillräckligt utvecklad ännu. Vår strategi är ett första och stort steg mot att producera denna viktiga råvarukemikalie med lägsta möjliga energiavtryck."
I synnerhet krävs en otrolig mängd energi för att nå de höga temperaturer och tryck som krävs för en framgångsrik kemisk reaktion. Det kräver också dyra katalysatorer gjorda av ädelmetaller, såsom palladium. Och eftersom processen är beroende av protoner från väte, som produceras av fossila bränslen, genererar den enorma mängder koldioxid.
Northwesterns strategi går förbi alla dessa frågor. För att omvandla acetylen till eten, ersatte Northwesterns kemister palladiumkatalysatorn med kobolt, ett billigare, mer rikligt alternativ. De använde också rumstemperatur och omgivande tryck. I stället för värme använde de synligt ljus. Och slutligen ersatte de väte med vanligt vatten som en källa för protoner.
Studien har titeln "Selektiv fotokatalys av synligt ljus av acetylen till eten med användning av en koboltmolekylär katalysator och vatten som en protonkälla." + Utforska vidare
