Flytande metaller kan vara den efterlängtade lösningen för att "gröna" den kemiska industrin, enligt forskare som testat en ny teknik som de hoppas kan ersätta energiintensiva kemiteknikprocesser som går tillbaka till tidigt 1900-tal.
Kemisk produktion står för cirka 10–15 % av de totala utsläppen av växthusgaser. Mer än 10 % av världens totala energi används också i kemiska fabriker.
Resultat publicerade i Nature Nanotechnology erbjuda en välbehövlig innovation som går bort från gamla, energikrävande katalysatorer gjorda av solida material. Forskningen leds av professor Kourosh Kalantar-Zadeh, chef för University of Sydneys School of Chemical and Biomolecular Engineering, och Dr Junma Tang, som arbetar tillsammans vid University of Sydney och UNSW.
En katalysator är ett ämne som gör att kemiska reaktioner sker snabbare och lättare utan att delta i reaktionen. Fasta katalysatorer, vanligtvis fasta metaller eller fasta föreningar av metaller, används ofta i den kemiska industrin för att tillverka plast, gödningsmedel, bränslen och råmaterial.
Kemisk produktion med fasta processer är dock energikrävande och kräver temperaturer på upp till tusen grader Celsius.
Den nya processen använder istället flytande metaller, i det här fallet löser upp tenn och nickel vilket ger dem unik rörlighet, vilket gör att de kan migrera till ytan av flytande metaller och reagera med ingående molekyler som rapsolja. Detta resulterar i rotation, fragmentering och återmontering av rapsoljemolekyler till mindre organiska kedjor, inklusive propen, ett högenergibränsle som är avgörande för många industrier.
"Vår metod erbjuder en oöverträffad möjlighet för den kemiska industrin att minska energiförbrukningen och miljövänliga kemiska reaktioner", säger professor Kalantar-Zadeh.
"Det förväntas att den kemiska sektorn kommer att stå för mer än 20 % av utsläppen år 2050", säger professor Kalantar-Zadeh. "Men kemisk tillverkning är mycket mindre synlig än andra sektorer - ett paradigmskifte är avgörande."
Atomer i flytande metaller är mer slumpmässigt ordnade och har större rörelsefrihet än fasta ämnen. Detta gör att de lätt kan komma i kontakt med, och delta i, kemiska reaktioner. "Teoretiskt sett kan de katalysera kemikalier vid mycket lägre temperaturer - vilket betyder att de kräver mycket mindre energi," sa professor Kalantar-Zadeh.
I sin forskning löste författarna upp nickel och tenn med hög smältpunkt i en galliumbaserad flytande metall med en smältpunkt på endast 30°C.
"Genom att lösa upp nickel i flytande gallium fick vi tillgång till flytande nickel vid mycket låga temperaturer — som fungerar som en "super" katalysator. I jämförelse är fast nickels smältpunkt 1 455°C. Samma effekt, i mindre grad, upplevs också för tennmetall i flytande gallium," sa Dr. Tang.
Metallerna dispergerades i flytande metalllösningsmedel på atomnivå. "Så vi har tillgång till katalysatorer med en atom. En atom är den högsta tillgängligheten för ytarea för katalys som erbjuder en anmärkningsvärd fördel för den kemiska industrin", säger Dr Arifur Rahim, senior författare och DECRA Fellow vid School of Chemical and Biomolecular Engineering .
Forskarna sa att deras formel också skulle kunna användas för andra kemiska reaktioner genom att blanda metaller med lågtemperaturprocesser.
"Det kräver så låg temperatur för att katalysera att vi rent teoretiskt skulle kunna göra det i köket med gashällen - men försök inte det hemma," sa Dr. Tang.
Mer information: Dynamiska konfigurationer av metallatomer i flytande tillstånd för selektiv propensyntes, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01540-x
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av University of Sydney
