Den kemiska industrin har länge skuggats av ovälkomna bilder av böljande skorstenar och rör som släpper ut giftigt avlopp. Moderna tillverkningsmetoder har gjort mycket för att mildra industrins miljöpåverkan, men det finns fortfarande utrymme för förbättringar.

Att göra kemi mer miljövänlig är en passion och ett stort forskningsfokus för Caltechs Karthish Manthiram, professor i kemiteknik och kemi, och en William H. Hurt Scholar.

I en artikel som visas i tidskriften Science , beskriver Manthirams labb utvecklingen av en katalysator för att producera ett allmänt använt kemiskt råmaterial utan de giftiga och farliga kemikalier som normalt krävs för dess produktion.

Denna kemiska råvara, propylenoxid, är en organisk förening som används i en mängd olika tillämpningar, inklusive tillverkning av skum, plast och frostskyddsmedel, såväl som för desinfektion och sterilisering. Traditionellt produceras propylenoxid genom att reagera propylen med antingen underklorsyra eller väteperoxid. Var och en har sin egen nackdel.

"Med underklorsyra får du en kloridbiprodukt som du släpper ut i miljön. Av den anledningen blir det allt färre tillstånd som beviljas för att tillåta anläggningar som använder underklorsyraprocessen", säger Manthiram. "Det har tvingat människor att gå över till peroxidbaserade processer, men du har den här enorma säkerhetsutmaningen. Varje gång du har väteperoxid i kontakt med organiska föreningar finns det en hotande risk för explosioner."

Koncernens mål var att utveckla en säker metod för propylenepoxidframställning som inte ger ett miljöutsläpp eller har ett stort koldioxidavtryck. Manthiram säger att laget började med att leta efter en katalysator som kan producera propylenepoxid med hjälp av syreatomen som finns i en vattenmolekyl. Den enda biprodukten skulle vara vätgas, som kan användas som bränsle eller vid tillverkning av andra kemikalier.

"Hela utgångspunkten var att vatten är säkert", säger han. "Det utgör ingen inneboende säkerhetsrisk, och det finns ingen miljöskadlig biprodukt från processen. Istället tillverkar du väte, vilket är något som vi måste göra mer av i framtiden. Det var där vi började. "

Gruppen minskade på två katalysatorer:platinaoxid och palladiumoxid. Båda utförde den reaktion laget önskade, men inte tillräckligt bra för att vara användbara. Platinaoxid producerade propylenepoxid i höga hastigheter, men stökigt, vilket skapade många oönskade biprodukter. Däremot producerade palladiumoxid propylenepoxid med färre biprodukter, men det gjorde det ganska långsamt.

Manthiram säger att lösningen var att kombinera de två katalysatorerna.

"Att sätta de två tillsammans slutade faktiskt med att lösa problemet", säger Minju Chung, huvudförfattare och tidigare postdoktor vid Georgia Institute of Technology, nu med MIT. "Sedan ägnade vi mycket tid åt att förstå varför den blandningen fungerar bättre. Det är inte en enkel förklaring."

Med hjälp av röntgenabsorptionsspektroskopi (en teknik som kan avslöja den atomära och elektroniska strukturen hos material genom att bombardera dem med röntgenstrålar), fastställde forskarna att i en blandning av platinaoxid och palladiumoxid existerar platina i ett tillstånd som gör att det är en effektivare katalysator.

"Det visar sig att en av de mest dramatiska effekterna av att gå från platinaoxid till palladium-platinaoxid är att du kan stabilisera platina i ett högre oxidationstillstånd," säger Manthiram. "När det är i ett högre oxidationstillstånd, är syret som är fäst till platina mer berövat på elektroner, vilket gör det mer reaktivt med den elektronrika propenen. Vi ser genom en hel serie experiment att stabilisering av platina i ett högre oxidationstillstånd leder till signifikant förbättrade hastigheter och effektiviteter av propylenepoxidation."

Med den nya katalysatorn är propylenoxidproduktionen 10 gånger högre än vad som tidigare hade uppnåtts, och effektiviteten ökas med 13 procent, säger Manthiram.

Manthiram säger att framtida forskning kommer att fokusera på att testa katalysatorn för att se hur den kan tas från en laboratorieinstallation till industriella miljöer. Det kommer att kräva analyser som undersöker hur länge katalysatorn håller innan den bryts ned och hur väl den presterar i större skala, samt utveckling av en process för att avlägsna propylenepoxiden från systemet när den produceras.

"Det är dags att utexaminera detta material från denna grundläggande vetenskapliga kontext", säger han. "Det kommer att vara riktigt upplysande för oss för oss eftersom det kommer att visa oss vad som är nästa saker som vi bör arbeta med."

Uppsatsen som beskriver arbetet, "Direct propylene epoxidation via water activation over Pd-Pt electrocatalysts," dyker upp i 4 januari-numret av Science .

Mer information: Minju Chung et al, Direkt propylenepoxidation via vattenaktivering över Pd-Pt-elektrokatalysatorer, Science (2024). DOI:10.1126/science.adh4355

Journalinformation: Vetenskap

Tillhandahålls av California Institute of Technology