تیم تحقیقاتی دو کاتالیزور را ترکیب کرد تا تولید مواد شیمیایی عمومی را ایمن تر و سازگارتر با محیط زیست کند

صنعت شیمیایی مدت‌هاست تحت الشعاع تصاویر ناخوشایندی از دودکش‌های پیچ‌خورده و لوله‌هایی که آب‌های سمی را به بیرون می‌فرستند. شیوه‌های تولید مدرن برای کاهش اثرات زیست‌محیطی صنعت بسیار کار کرده است، اما هنوز جای بهبود وجود دارد.

دوستدار محیط زیست شیمی یک علاقه و تمرکز تحقیقاتی اولیه برای Kartish Manthiram از Caltech، استاد مهندسی شیمی و شیمی و همکار ویلیام اچ.

در کاغذ ظاهر شدن در دفتر خاطرات علوم پایهآزمایشگاه Manthiram توسعه a کاتالیزور برای تولید یک ماده اولیه شیمیایی پرکاربرد بدون مواد شیمیایی سمی و خطرناک که معمولاً برای تولید آن مورد نیاز است.

این ماده خام شیمیایی، پروپیلن اکسید، یک ترکیب آلی است که در کاربردهای مختلفی از جمله تولید فوم، پلاستیک و ضد یخ و همچنین برای ضدعفونی و استریل کردن استفاده می‌شود. به طور سنتی، پروپیلن اکسید از واکنش پروپیلن با اسید هیپوکلروس یا پراکسید هیدروژن ساخته می شود. هر کسی عیب خودش را دارد.

با اسید هیپوکلرو، شما در نهایت با یک محصول جانبی کلرید مواجه می شوید که آن را در محیط تخلیه می کنید. به همین دلیل، مجوزهای کمتر و کمتری برای گیاهانی که از فرآیند هیپوکلرو اسید استفاده می کنند، صادر می شود. “این افراد را مجبور کرد به سمت فرآیندهای مبتنی بر پراکسید حرکت کنند، اما شما این چالش ایمنی بزرگ را دارید. هر بار که دارید آب اکسیژنه در تماس با ترکیبات آلی، خطر انفجار وجود دارد.”

هدف این گروه توسعه روش ایمن برای تولید اپوکسی پروپیلن بود که ترشحات محیطی تولید نمی کند یا ردپای کربن زیادی ندارد. Manthiram می گوید که این تیم با جستجو برای کاتالیزوری که قادر به تولید پروپیلن اپوکسید با استفاده از اتم اکسیژن در یک مولکول آب یافت می شود. تنها محصول جانبی گاز هیدروژن خواهد بود که می تواند به عنوان سوخت یا در تولید مواد شیمیایی دیگر استفاده شود.

او می گوید: «تمام فرض این بود که آب سالم است. “این هیچ خطر ایمنی ذاتی ندارد و هیچ محصول جانبی مضر برای محیط زیست این فرآیند وجود ندارد. در عوض، شما هیدروژن تولید می‌کنید، چیزی که ما باید در آینده بیشتر از آن تولید کنیم. از اینجا شروع کردیم. “

این گروه به دو کاتالیزور محدود می شود: پلاتین اکسید و اکسید پالادیوم. هر دو عکس العملی را که تیم می خواست انجام دادند، اما آنقدر خوب نبودند که مفید باشند. اکسید پلاتین پروپیلن اپوکسید را با سرعت زیاد، اما نامرتب تولید می کند و بسیاری از محصولات جانبی ناخواسته را ایجاد می کند. در مقابل، اکسید پالادیوم پروپیلن اپوکسید را با محصولات جانبی کمتر تولید می کند، اما این کار را بسیار کند انجام می دهد.

Manthiram می گوید راه حل این بود که این دو کاتالیزور را ترکیب کنیم.

Minju Chung، نویسنده اصلی و محقق سابق پسا دکترا در موسسه فناوری جورجیا، که اکنون در MIT است، گفت: “قرار دادن این دو در کنار هم مشکل را حل کرد.” “سپس ما زمان زیادی را صرف درک اینکه چرا این مخلوط بهتر عمل می کند. توضیح ساده ای نیست.”

محققان با استفاده از طیف سنجی جذب اشعه ایکس (تکنیکی که می تواند ساختار اتمی و الکترونیکی مواد را با بمباران اشعه ایکس آشکار کند)، دریافتند که در مخلوطی از اکسید پلاتین و اکسید پالادیوم، پلاتین در حالتی وجود دارد که باعث می شود کاتالیزور کارآمدتر است.

Manthiram می گوید: «به نظر می رسد که یکی از چشمگیرترین اثرات تغییر از اکسید پلاتین به اکسید پالادیوم-پلاتین این است که می توانید پلاتین را در حالت اکسیداسیون بالاتر تثبیت کنید. هنگامی که در حالت اکسیداسیون بالاتر قرار دارد، اکسیژن متصل به پلاتین از الکترون محروم تر است و آن را با پروپیلن غنی از الکترون واکنش پذیرتر می کند. منجر به بهبود بسیار زیاد سرعت و کارایی اپوکسیداسیون پروپیلن می شود.”

با کمک کاتالیزور جدید، سرعت پروپیلن اکسید Manthiram می گوید که تولید 10 برابر بیشتر از آنچه قبلا به دست آمده است، و راندمان 13 درصد افزایش یافته است.

Manthiram می گوید تحقیقات آینده بر روی آزمایش کاتالیزور متمرکز خواهد شد تا ببیند چگونه می توان آن را از یک محیط آزمایشگاهی به یک محیط صنعتی برد. این امر مستلزم آنالیزهایی است که بررسی کند کاتالیزور قبل از تخریب چقدر دوام می‌آورد و در مقیاس‌های بزرگ‌تر چقدر خوب عمل می‌کند، و همچنین فرآیندی برای حذف ایجاد می‌کند. هدر رفته اپوکسی از سیستم همانطور که تولید می شود.

او می گوید: «زمان آن فرا رسیده است که این مطالب را از این زمینه علوم پایه فارغ التحصیل کنیم. “این واقعا برای ما روشنگر خواهد بود، زیرا به ما نشان می دهد که چه چیزهای بعدی هستند که باید روی آنها کار کنیم.”

مقاله ای که کار را توصیف می کند، “اپوکسیداسیون مستقیم پروپیلن توسط فعال سازی آبی بر روی الکتروکاتالیست های Pd-Pt” در شماره 4 ژانویه منتشر شده است. علوم پایه.