Ze zijn overal om je heen! De meeste kunststoffen, geleidende polymeren, en zelfs medicijnen zijn afgeleid van moleculen met een dubbele binding tussen twee koolstofatomen, C=C. Deze moleculen worden olefinen genoemd en worden voornamelijk geproduceerd uit fossiele brandstoffen via een energie-intensief en vervuilend proces dat bekend staat als stoomkraken. Het vereist temperaturen van 800°C en produceert het broeikasgas koolstofdioxide. Onnodig vandaag, Er wordt veel gezocht naar alternatieven voor dit proces die milieu- en economische voordelen kunnen opleveren.

Een team van onderzoekers van het Center for Catalytic Hydrocarbon Functionalisaties, binnen het Instituut voor Basiswetenschappen (IBS), in samenwerking met Prof. Daniel J. Mindiola van de Universiteit van Pennsylvania, een reactie bewerkstelligd die voorheen niet mogelijk was; ze produceerden alkenen met goedkope, gemakkelijk verkrijgbare ingrediënten en bij lage temperatuur (75°C). Dit onderzoeksresultaat, gepubliceerd in Natuurchemie , maakt de weg vrij voor een efficiënt gebruik van aardgas om belangrijke chemische producten te synthetiseren.

Natuurlijke gassen, zoals methaan en ethaan, hebben sterke koolstof-waterstof (C-H) bindingen die moeilijk te verbreken zijn. Het onderzoeksteam slaagde erin om dergelijke niet-reactieve moleculen om te zetten in olefinen, de chemische grondstof van een groot aantal producten die we in ons dagelijks leven gebruiken.

Dit type olefineproductiemethode is gebaseerd op dehydrogenering, dat is de verwijdering van waterstofatomen die leidt tot de vorming van de C=C-binding, het kenmerk van olefinen. Omdat de energie die nodig is om de sterke C-H-bindingen te verbreken te hoog is, de reactie kan alleen worden bereikt met behulp van andere moleculen, katalysatoren genoemd. Eerder, dehydrogenering was alleen mogelijk met katalysatoren op basis van dure metalen, zoals iridium.

De studie bereikte de goedkope productie van olefinen dankzij een synergetisch teamwerk tussen computer- en experimentele chemici. Door het hele chemische proces te simuleren, IBS-computerchemici adviseerden hun collega's van de Universiteit van Pennsylvania over goedkope op titanium gebaseerde katalysatoren om te testen.

"We zijn verhuisd van iridium, dat zo zeldzaam en duur is dat het wordt bestempeld als 'het element van de goden', tot een absoluut goedkoop metaal, titanium; een element dat we allemaal kennen omdat het veel wordt gebruikt als wit pigment voor keramiek, papier, en tandenbleekmiddel, " legt BAIK Mu-Hyun uit, de leidende auteur van IBS. "De computersimulatie voorspelt de beweging van elk elektron en hoe moleculen gaan interageren, dus het stelde ons in staat om de ontwikkelingstijd te verkorten."

Samenvatten, de studie toonde aan dat het maken van olefinen in een goedkope, energiezuinige manier mogelijk. De reactie kan bij lage temperatuur worden uitgevoerd en de titaniumkatalysator kan gedeeltelijk worden gerecycled, zodat het opnieuw kan worden gebruikt om meer aardgas te dehydrogeneren. De volgende uitdaging van het onderzoeksteam is om de op titanium gebaseerde katalysator efficiënter te maken.