Alles van de productie van meststoffen en kunststoffen, tot vloeibare brandstoffen en farmaceutische producten vereisen een belangrijke chemische reactie die bekend staat als hydrogenering. Dit is een proces waarbij waterstof wordt toegevoegd aan onverzadigde chemische bindingen. Het verhogen van de hydrogeneringssnelheid kan leiden tot hogere opbrengsten voor industrieën en lagere milieueffecten.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers, onder leiding van universitair hoofddocent Yan Ning van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering aan de National University of Singapore (NUS), heeft een methode bedacht om de snelheid van ethyleenhydrogenering met meer dan vijf keer te verhogen in vergelijking met typische industriële tarieven.

Het team bereikte dit met een radicaal andere aanpak. In tegenstelling tot de meeste huidige hydrogeneringsprocessen die een statische vaste katalysator gebruiken om de reactie te versnellen, de door NUS-onderzoekers ontwikkelde techniek past oscillerende elektrische potentialen toe op een commerciële hydrogeneringskatalysator, die vervolgens de hydrogeneringssnelheid van ethyleen tot ethaan drastisch verhoogde.

"Dergelijke verbeteringen in de snelheden of selectiviteit van chemische reacties zijn essentieel om een ​​chemisch proces efficiënter te maken. Ons werk demonstreert een meer directe en kosteneffectieve manier om de katalysatorprestaties te optimaliseren die verder gaat dan conventionele methoden, "Asoc Prof Yan zei.

Het baanbrekende werk van het team werd gepubliceerd in JACS Au op 14 april 2021.

Hydrogeneringskatalyse verbeteren met oscillerende elektrische potentialen

De meeste hydrogeneringskatalysatoren zijn gedurende vele eeuwen ontwikkeld, maar de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren bleef doorgaans beperkt tot conventionele benaderingen voor materiaalontwerp. Enkele onderzoeken hebben aangetoond dat katalyse kan worden bevorderd door elektrische potentialen op de katalysator aan te brengen. Hoewel deze methoden de selectiviteit en activiteit van heterogene katalysatoren onder statische omstandigheden al hebben verbeterd, het gebruik van dynamische externe stimuli is onderbelicht.

De nieuwe bevindingen van het NUS-team bieden een geavanceerd technisch hulpmiddel dat oscillerende elektrische potentialen gebruikt om de snelheid van chemische reacties te bevorderen zonder de ontwikkeling van nieuwe katalytische materialen.

Om dit te behalen, het NUS-team voerde experimenten uit met een commerciële palladiumkatalysator in een elektrochemische reactor op laboratoriumschaal, en observeerde een snelheidsverhoging van vijf keer onder optimale dynamische omstandigheden. Ze slaagden erin om de snelheidsverbetering te correleren met de dubbellaagse capaciteit - een indicator van de lokale elektrische veldsterkte op het katalysator-elektrolyt-interface - door verschillende elektrolytoplossingen te gebruiken. De eigenschappen van de katalysator veranderden periodiek en continu, dat versnelde de stappen die betrokken zijn bij de ethyleenhydrogeneringsreactie.

De onderzoekers voerden verdere kinetische experimenten uit, wat suggereerde dat de verbetering verband zou kunnen houden met de gedeeltelijke verwijdering van sterk geadsorbeerde waterstof van het katalysatoroppervlak met een negatieve potentiaal, en de daaropvolgende adsorptie en hydrogenering van ethyleen bij een positieve potentiaal.

De bevindingen van het team illustreren de haalbaarheid van het gebruik van oscillerende potentialen om de katalytische snelheid van een relatief eenvoudige hydrogeneringsreactie te verbeteren. Een vergelijkbare benadering zou kunnen worden uitgebreid om de activiteit en selectiviteit van een breed scala aan katalytische reacties te regelen.

Volgende stappen

Het NUS-team voert meer onderzoeken uit om hun begrip van de fundamentele principes achter hun nieuwe techniek te verbeteren. Ze willen ook hun aanpak verder ontwikkelen tot een algemene strategie om katalysatoren verder te brengen dan hun 'statische optimum'.