De grootste bron van wereldwijd energieverbruik is de industriële productie van producten zoals kunststoffen, ijzer, en staal. Het vervaardigen van deze materialen vereist niet alleen enorme hoeveelheden energie, maar veel van de reacties stoten ook direct koolstofdioxide uit als bijproduct.

In een poging om dit energieverbruik en de bijbehorende emissies te helpen verminderen, Chemische ingenieurs van het MIT hebben een alternatieve benadering bedacht voor het synthetiseren van epoxiden, een soort chemische stof die wordt gebruikt om diverse producten te vervaardigen, inclusief kunststoffen, geneesmiddelen, en textiel. Hun nieuwe aanpak, die elektriciteit gebruikt om de reactie te laten verlopen, kan worden gedaan bij kamertemperatuur en atmosferische druk terwijl kooldioxide als bijproduct wordt geëlimineerd.

"Wat niet vaak wordt gerealiseerd, is dat industrieel energieverbruik veel groter is dan vervoer of huishoudelijk gebruik. Dit is de olifant in de kamer, en er is zeer weinig technische vooruitgang geboekt in termen van het kunnen verminderen van het industriële energieverbruik, " zegt Karthish Manthiram, een assistent-professor chemische technologie en de senior auteur van de nieuwe studie.

De onderzoekers hebben patent aangevraagd op hun techniek, en ze werken nu aan het verbeteren van de efficiëntie van de synthese, zodat deze kan worden aangepast voor grootschalige, industrieel gebruik.

MIT-postdoc Kyoungsuk Jin is de hoofdauteur van het artikel, die op 9 april online verschijnt in de Tijdschrift van de American Chemical Society . Andere auteurs zijn onder meer afgestudeerde studenten Joseph Maalouf, Nikifar Lazouski, en Nathan Corbin, en postdoc Dengtao Yang.

alomtegenwoordige chemicaliën

epoxiden, waarvan het belangrijkste chemische kenmerk een drieledige ring is die bestaat uit een zuurstofatoom gebonden aan twee koolstofatomen, worden gebruikt om producten te maken die zo gevarieerd zijn als antivries, wasmiddelen, en polyester.

"Het is onmogelijk om zelfs maar een korte periode van je leven te gaan zonder iets aan te raken, te voelen of te dragen dat op een bepaald moment in de geschiedenis een epoxide bevatte. Ze zijn alomtegenwoordig, " zegt Manthiram. "Ze zijn op zoveel verschillende plaatsen, maar we hebben de neiging om niet na te denken over de ingebedde energie- en koolstofdioxidevoetafdruk."

Verschillende epoxiden behoren tot de chemicaliën met de grootste koolstofvoetafdruk. De productie van één gemeenschappelijk epoxide, ethyleenoxide, genereert de op vier na grootste CO2-uitstoot van alle chemische producten.

De productie van epoxiden vereist veel chemische stappen, en de meeste zijn erg energie-intensief. Bijvoorbeeld, de reactie die wordt gebruikt om een ​​zuurstofatoom aan ethyleen te hechten, de productie van ethyleenoxide, moet worden gedaan bij bijna 300 graden Celsius en onder een druk die 20 keer groter is dan de atmosferische druk. Verder, de meeste energie die wordt gebruikt om dit soort productie aan te drijven, is afkomstig van fossiele brandstoffen.

Toe te voegen aan de ecologische voetafdruk, de reactie die wordt gebruikt om ethyleenoxide te produceren, genereert ook koolstofdioxide als bijproduct, die in de atmosfeer terechtkomt. Andere epoxiden worden gemaakt met behulp van een meer gecompliceerde benadering met gevaarlijke peroxiden, die explosief kunnen zijn, en calciumhydroxide, die huidirritatie kunnen veroorzaken.

Om tot een duurzamere aanpak te komen, het MIT-team liet zich inspireren door een reactie die bekend staat als wateroxidatie, die elektriciteit gebruikt om water in zuurstof te splitsen, protonen, en elektronen. Ze besloten om te proberen de wateroxidatie uit te voeren en vervolgens het zuurstofatoom te hechten aan een organische verbinding die een olefine wordt genoemd, wat een voorloper is van epoxiden.

Dit was een contra-intuïtieve benadering, Manthiram zegt, omdat olefinen en water normaal gesproken niet met elkaar kunnen reageren. Echter, ze kunnen met elkaar reageren wanneer een elektrische spanning wordt aangelegd.

Om hiervan te profiteren, het MIT-team ontwierp een reactor met een anode waarin water wordt afgebroken tot zuurstof, waterstofionen (protonen), en elektronen. Mangaanoxide-nanodeeltjes werken als een katalysator om deze reactie te helpen, en om de zuurstof in een olefine op te nemen om een ​​epoxide te maken. Protonen en elektronen stromen naar de kathode, waar ze worden omgezet in waterstofgas.

thermodynamisch, deze reactie vereist slechts ongeveer 1 volt elektriciteit, minder dan de spanning van een standaard AA-batterij. De reactie genereert geen koolstofdioxide, en de onderzoekers verwachten dat ze de koolstofvoetafdruk verder kunnen verkleinen door elektriciteit uit hernieuwbare bronnen zoals zon of wind te gebruiken om de epoxideconversie aan te drijven.

Opschalen

Tot dusver, de onderzoekers hebben aangetoond dat ze dit proces kunnen gebruiken om een ​​epoxide te maken dat cyclo-octeenoxide wordt genoemd, en ze zijn nu bezig het aan te passen aan andere epoxiden. Ze proberen ook de omzetting van olefinen in epoxiden efficiënter te maken - in dit onderzoek ongeveer 30 procent van de elektrische stroom ging in de conversiereactie, maar ze hopen dat te verdubbelen.

Ze schatten dat hun proces, indien opgeschaald, zou ethyleenoxide kunnen produceren tegen een kostprijs van $ 900 per ton, vergeleken met $1, 500 per ton met de huidige methoden. Die kosten kunnen verder worden verlaagd naarmate het proces efficiënter wordt. Een andere factor die kan bijdragen aan de economische levensvatbaarheid van deze aanpak is dat het ook waterstof genereert als bijproduct, wat op zichzelf al waardevol is om brandstofcellen van stroom te voorzien.

De onderzoekers zijn van plan de technologie verder te ontwikkelen in de hoop deze uiteindelijk te commercialiseren voor industrieel gebruik. en ze werken ook aan het gebruik van elektriciteit om andere soorten chemicaliën te synthetiseren.

"Er zijn veel processen die enorme CO2-voetafdrukken hebben, en decarbonisatie kan worden aangedreven door elektrificatie, " zegt Manthiram. "Je kunt temperatuur elimineren, elimineer de druk, en in plaats daarvan spanning gebruiken."