Att nå hållbarhet är en av mänsklighetens mest angelägna utmaningar idag – och också en av de svåraste. För att minimera vår påverkan på miljön och börja återställa de skador som mänskligheten redan har orsakat, är det av största vikt att sträva efter att uppnå koldioxidneutralitet i så många ekonomiska aktiviteter som möjligt. Tyvärr orsakar syntesen av många viktiga kemikalier fortfarande höga koldioxidutsläpp.
Så är fallet med acetylen (C2 H2 ), ett viktigt kolväte med en uppsjö av tillämpningar. Denna mycket brandfarliga gas används för svetsning, industriell skärning, metallhärdning, värmebehandlingar och andra industriella processer. Dessutom är det en viktig föregångare vid tillverkning av syntetiska hartser och plaster, inklusive PVC. Sedan produktionen av C2 H2 kräver fossila bränslen som råvara, behövs en mer miljövänlig syntesväg.
Mot denna bakgrund har ett forskarlag baserat på ett samarbete mellan akademi och industri mellan Doshisha University och Daikin Industries, Ltd., Japan, utvecklat en ny och lovande strategi för att producera C2 H2 använder koldioxid (CO2). ) och vatten (H2 O) som råmaterial.
Deras senaste studie, som inkluderade assisterande professor Yuta Suzuki från Harris Science Research Institute och professor Takuya Goto från Institutionen för vetenskap för miljö och matematisk modellering vid Graduate School of Science and Engineering, båda vid Doshisha University, och Tomohiro Isogai från Technology and Innovation Center på Daikin Industries Ltd., publiceras i ACS Sustainable Chemistry &Engineering .
Det föreslagna tillvägagångssättet är baserat på den elektrokemiska och kemiska omvandlingen av CO2 till C2 H2 genom att använda högtemperatursmälta salter, nämligen kloridsmältor. En viktig aspekt av processen är att den utnyttjar metallkarbider, som är fasta ämnen som består av kolatomer och metallatomer, som en svängpunkt i omvandlingen.
"I vår strategi, CO2 omvandlas först till metalliska karbider såsom CaC2 och Li2 C2 , som avsätts på en av elektroderna", förklarar Dr Suzuki. "Då reagerar dessa metallkarbider med H2 O, genererar C2 H2 gas."
För att uppnå högre energieffektivitet med denna metod, var teamet tvunget att testa olika konfigurationer, inklusive olika elektrodmaterial och smälta saltkompositioner. Efter en serie omfattande experiment, inklusive cyklisk voltammetri, kolkristallinitetsanalys och röntgendiffraktion, bestämde de att en NaCl−KCl−CaCl2 −CaO-smälta mättad med ytterligare CaCl2 i en CO2 atmosfären gav bäst resultat. Denna speciella smälta ledde till selektiv bildning av CaC2 runt katoden, vilket gav bättre resultat än smältor inklusive litium.
Denna innovativa strategi erbjuder viktiga fördelar jämfört med konventionella syntesvägar för C2 H2 . För det första kan elektroderna återanvändas efter en enkel rekonditioneringsbehandling eftersom den önskade reaktionen sker på de avsatta metallkarbiderna snarare än direkt på elektrodytorna. En annan fördel, och kanske den mest anmärkningsvärda, är den direkta användningen av CO2 som råvara för att producera en industriellt användbar och värdefull kemikalie.
"Det föreslagna tillvägagångssättet representerar en lovande teknik för att förverkliga en hållbar resurs- och energicykel utan att förlita sig på fossila bränslen", säger Prof. Goto. "I framtiden skulle samma teknik kunna användas som en koldioxidnegativ utsläppsteknik genom att extrahera koldioxid från luften och använda den som råvara, särskilt i kombination med direkta luftavskiljningsprocesser."
Med lite tur kommer ytterligare forskning om denna spännande metod att leda till både ekonomiskt och miljömässigt lönsamma sätt att producera viktiga hartser och kemikalier från CO2 , banar väg för hållbara samhällen. I slutändan skulle dessa ansträngningar göra det möjligt för oss att leva i harmoni med miljön och samtidigt behålla många av de positiva aspekterna av vårt moderna sätt att leva.
Mer information: Yuta Suzuki et al, New Route of Acetylen Synthesis via Electrochemical Formation of Metal Carbides from CO2 in Chloride Melts, ACS Sustainable Chemistry &Engineering (2024). DOI:10.1021/acssuschemeng.3c08139
Journalinformation: ACS Sustainable Chemistry &Engineering
Tillhandahålls av Doshisha University
