Chemici van de Northwestern University hebben zich laten inspireren door planten om een ​​revolutie teweeg te brengen in de manier waarop een belangrijke industriële chemische stof wordt gemaakt.

Als primeur voor het veld gebruikte het Northwestern-team licht en water om acetyleen om te zetten in ethyleen, een veelgebruikte, zeer waardevolle chemische stof die een belangrijk ingrediënt is in kunststoffen.

Hoewel deze omzetting typisch hoge temperaturen en drukken, ontvlambare waterstof en dure metalen vereist om de reactie aan te drijven, is het fotosynthese-achtige proces van Northwestern veel minder duur en minder energie-intensief. Het nieuwe proces is niet alleen milieuvriendelijk, het werkt ook ongelooflijk goed:het zet bijna 100% van acetyleen met succes om in ethyleen.

"In de industrie vereist deze methode energie-intensieve processen die hoge temperaturen vereisen, een externe voeding van ontvlambaar waterstofgas en materialen die edele metalen bevatten, die duur en moeilijk te verkrijgen zijn", zegt Francesca Arcudi van Northwestern, mede-eerste auteur van het onderzoek. . "Onze nieuwe strategie lost al deze problemen in één keer op. Het werkt met licht en water in plaats van hoge temperaturen en waterstof. En in plaats van dure metalen gebruiken we natuurlijk overvloedige, goedkope materialen."

De resulterende strategie werkte schrikbarend goed. Terwijl het huidige industriële proces resulteert in 90% selectiviteit voor ethyleen, heeft de Northwestern-benadering 99% selectiviteit voor ethyleen.

"Dit is belangrijk omdat het een chemische grondstof is met een hoge economische waarde", zegt Luka Ðorđević van Northwestern, co-eerste auteur van het onderzoek. "Hoe meer je kunt produceren zonder afval, hoe beter."

Het onderzoek wordt donderdag (9 juni) gepubliceerd in het tijdschrift Nature Chemistry. Het is het eerste rapport van onderzoekers die licht gebruiken om acetyleen om te zetten in ethyleen.

Dit artikel is het resultaat van een samenwerking tussen Emily Weiss en Samuel I. Stupp en hun gezamenlijke inspanning als onderdeel van het Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) in Northwestern. Weiss, hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern, is de corresponderende auteur van het artikel. Arcudi is een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Weiss. Ðorđević is een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Stupp. Stupp is de Board of Trustees Professor of Materials Science and Engineering, Chemistry, Medicine and Biomedical Engineering aan Northwestern, met benoemingen in Weinberg College, de McCormick School of Engineering en Northwestern University Feinberg School of Medicine.

"Bij CBES streven we ernaar fundamentele uitdagingen aan te gaan door inspiratie uit de natuur te halen", zegt Stupp, de directeur van CBES. "Vitamine B12, een van de weinige natuurlijk voorkomende organometallische co-factoren, werd in dit artikel gebruikt als inspiratiebron voor het ontwerpen van onze katalysator."

Als voorloper van 50-60% van alle kunststoffen in de wereld, is ethyleen een hot commodity. Om aan de steeds toenemende vraag naar de waardevolle chemische stof te voldoen, produceert de industrie meer dan 200 miljoen ton ethyleen per jaar.

Om ethyleen te genereren, gebruiken scheikundigen stoomkraken, een industriële methode waarbij hete stoom wordt gebruikt om ethaan af te breken in kleinere moleculen, die vervolgens worden gedestilleerd tot ethyleen. Maar de resulterende chemische stof bevat een kleine hoeveelheid acetyleen, een verontreiniging die katalysatoren deactiveert om te voorkomen dat ethyleen op de juiste manier wordt omgezet in plastic. Voordat het ethyleen in plastic kan worden omgezet, moet het acetyleen worden verwijderd of omgezet in ethyleen.

"Het verwijderen of omzetten van acetyleen om puur ethyleen te krijgen, is een proces dat goed bekend is in de industrie," zei Weiss. "Het proces heeft veel problemen, daarom heeft de wetenschappelijke gemeenschap geprobeerd een alternatief voor dit proces voor te stellen. Het produceren van ethyleen van polymeerkwaliteit uit koolstofdioxidegrondstof is een wenselijk alternatief, maar deze route is nog niet voldoende ontwikkeld. Onze strategie is een eerste en grote stap in de richting van de productie van deze belangrijke chemische grondstof met de laagst mogelijke ecologische voetafdruk."

Er is vooral een ongelooflijke hoeveelheid energie nodig om de hoge temperaturen en drukken te bereiken die nodig zijn voor een succesvolle chemische reactie. Het vereist ook dure katalysatoren gemaakt van edele metalen, zoals palladium. En omdat het proces afhankelijk is van protonen uit waterstof, dat wordt geproduceerd uit fossiele brandstoffen, genereert het enorme hoeveelheden koolstofdioxide.

De strategie van Northwestern omzeilt al deze problemen. Om acetyleen in ethyleen om te zetten, vervingen de chemici van Northwestern de palladiumkatalysator door kobalt, een goedkoper, overvloediger alternatief. Ze gebruikten ook kamertemperatuur en omgevingsdruk. In plaats van warmte gebruikten ze zichtbaar licht. En ten slotte vervingen ze waterstof door gewoon water als bron voor protonen.

De studie is getiteld "Selectieve fotokatalyse van zichtbaar licht van acetyleen tot ethyleen met behulp van een moleculaire kobaltkatalysator en water als protonbron." + Verder verkennen

Onderzoekers stellen nieuwe methode voor voor elektrokatalytische hydrogenering van acetyleen tot ethyleen bij kamertemperatuur