Een internationale groep wetenschappers heeft het geheim ontgrendeld van een op goud gebaseerde katalysator die verantwoordelijk is voor een nieuwe, milieuvriendelijke methode om het vinylchloridemonomeer (VCM) te produceren dat wordt gebruikt om polyvinylchloride (PVC) te vervaardigen, het op twee na meest gebruikte plastic ter wereld.

Met behulp van op synchrotron gebaseerde spectroscopietechnieken en geavanceerde elektronenmicroscopie, de onderzoekers hebben vastgesteld dat geïsoleerde goudionen acetyleen het meest effectief omzetten, een gas afgeleid van steenkool, aan de VCM-moleculen die vervolgens kunnen worden gekoppeld om PVC te vormen.

Hun ontdekking komt te midden van pogingen om de conventionele methode van acetyleenomzetting te vervangen, die een vluchtige en potentieel giftige kwikhoudende katalysator gebruikt, met een stabielere niet-vervuilende methode die gebruik maakt van een door koolstof gedragen goudkatalysator.

De onderzoekers, die uit het Verenigd Koninkrijk en de Verenigde Staten komen, rapporteerden hun bevindingen vandaag (30 maart) in Wetenschap tijdschrift, 's werelds belangrijkste wetenschappelijke tijdschrift, in een artikel met de titel "Identificatie van single-site goudkatalyse in acetyleenhydrochlorering."

De hoofdauteur van het artikel is Grazia Malta van het Cardiff Catalysis Institute aan de Cardiff University in het VK, die werd begeleid door Graham J. Hutchings, directeur van het Instituut. De deelnemers aan het onderzoek van Lehigh University waren Christopher J. Kiely, hoogleraar materiaalkunde en chemische technologie en Li Lu, een doctoraat kandidaat materiaalkunde. Kiely is ook mededirecteur van het Cardiff Catalysis Institute.

De groep onderzocht de katalysatoren voor en na gebruik in Lehigh's aberratie-gecorrigeerde JEOL JEM-ARM200CF scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM), dat is een van de krachtigste instrumenten in zijn soort en maakt beeldvorming en chemische analyse van materialen op atomair niveau mogelijk.

De groep voerde ook experimenten uit met uitgebreide röntgenabsorptie-fijne structuur (EXAFS) en röntgenabsorptie nabije randstructuur (XANES) met behulp van de Diamond Synchrotron Facility in het VK om de katalysator onder werkende reactieomstandigheden te bestuderen.

"Deze experimenten hebben ons geholpen te bepalen dat atomair gedispergeerd goud - waar de atomen gescheiden zijn op de koolstofdrager en elkaar niet raken - de ideale vorm is van katalytische soorten voor deze reactie, ' zegt Kiely.

"Ze lieten ons ook zien dat je de goudatomen nodig hebt om te worden geïoniseerd - dat wil zeggen, een deel van hun elektronen missen - om de conversie te laten plaatsvinden."

Onder leiding van C. Richard A. Catlow van het Cardiff Catalysis Institute en University College London, de groep modelleerde ook theoretisch de reactie met behulp van geïsoleerde goudionen en bevestigde de experimentele resultaten.

"Wetenschappers weten dat je atomair gedispergeerd goud kunt gebruiken in homogene gekatalyseerde reacties die in oplossing worden uitgevoerd, "zegt Kiely. "Hier, we zijn erin geslaagd om atomair gedispergeerd goud op een stevige drager te verankeren en een soortgelijk effect te bereiken."

Kiely en Hutchings, die al tientallen jaren samenwerken, meldde vorig jaar in een artikel in Nature Communications magazine dat voor een andere reactie, namelijk de oxidatie bij lage temperatuur van koolmonoxide tot kooldioxide, een andere gouden entiteit - ultrakleine clusters bestaande uit een paar goudatomen - waren de meest actieve soorten.

De resultaten van beide projecten zullen Kiely en Hutchings helpen bij het ontwerpen en optimaliseren van op goud gebaseerde katalysatorsystemen voor gebruik in andere belangrijke reacties, zoals de water-gas-shift reactie, die waterstof genereert.

PVC is een onmisbaar onderdeel van het moderne leven geworden. De toepassingen zijn onder meer constructiebuizen, kredietkaarten, raam- en deurkozijnen, sanitair apparatuur, en elektrische kabelisolatie.

Naast acetyleenhydrochlorering, de VCM-molecuulvoorloper van PVC kan worden gemaakt van ethyleen, een bijproduct van aardolieraffinage dat ook uit aardgas kan worden geïsoleerd. Maar acetyleenhydrochlorering blijft de belangrijkste weg naar PVC-productie in sommige landen die over overvloedige steenkoolreserves beschikken.

Om van steenkool afgeleid acetyleen om te zetten in de VCM-precursor, zegt Kiely, chemische ingenieurs hebben het de afgelopen halve eeuw laten reageren met zoutzuur (HCl) in aanwezigheid van een kwikchloride-katalysator. Maar de katalysator is vluchtig bij reactietemperaturen, het giftige kwik laten verdampen, ontsnappen in het milieu en vervuilen landbouwgrond en waterlichamen.

In het begin van de jaren tachtig, Hutchings toonde aan dat een meer goedaardige, door koolstof gedragen goudkatalysator zou kunnen worden gebruikt om acetyleen om te zetten in VCM. Zijn ontdekking trok destijds enige aandacht, maar werd niet commercieel geëxploiteerd omdat de katalysator relatief grote hoeveelheden duur goud vereiste en niet erg stabiel was.

In 2007, Johnson Matthey, een wereldwijd gespecialiseerd chemiebedrijf gevestigd in het VK, raakte geïnteresseerd in de resultaten van Hutchings en begon te werken aan het maken van een stabiele goud-op-koolstofkatalysator met minder goud. Het bedrijf ontwikkelde een katalysator genaamd Pricat MFC, die nu commercieel wordt gebruikt in een grote Chinese PVC-fabriek. China, 's werelds grootste producent en consument van PVC, vertrouwt nog steeds op steenkool om het VCM-product te produceren.

In de tussentijd, het Verdrag van Minamata van 2013 inzake kwik, die is ondertekend door bijna 140 landen, verbiedt de bouw van nieuwe VCM-fabrieken die kwikchloride gebruiken na 2017 en vereist dat alle VCM-fabrieken tegen 2022 kwikvrij zijn.

Hutchings' vroege werk, de commercialiseringsinspanningen van Johnson Matthey en de meest recente ontdekking van de werking op atomaire schaal van de door koolstof ondersteunde goudkatalysator, zegt Kiely, hoop geven dat de doelstellingen van het Verdrag van Minamata kunnen worden bereikt.

Ze vertegenwoordigen ook een bijna ongekende prestatie op het gebied van katalyse.

"Wetenschappers zijn altijd bezig met het aanpassen en optimaliseren van katalysatorformuleringen, "zegt Kiely. "Maar, dit is de eerste keer in 50 jaar dat ik me kan herinneren dat we een industriestandaard katalysator die in een grote reactie wordt gebruikt, hebben vervangen door een geheel ander katalysatorsysteem."