De chemische industrie wordt lange tijd overschaduwd door ongewenste beelden van golvende schoorstenen en pijpen die giftig afvalwater lozen. Moderne productiepraktijken hebben veel bijgedragen aan het verzachten van de milieu-impact van de industrie, maar er blijft ruimte voor verbetering.

Het milieuvriendelijker maken van de chemie is een passie en een belangrijk onderzoeksfocus voor Caltech's Karthish Manthiram, hoogleraar chemische technologie en scheikunde, en een William H. Hurt Scholar.

In een artikel dat verschijnt in het tijdschrift Science beschrijft het laboratorium van Manthiram de ontwikkeling van een katalysator voor de productie van een veelgebruikte chemische grondstof zonder de giftige en gevaarlijke chemicaliën die normaal gesproken nodig zijn voor de productie ervan.

Die chemische grondstof, propyleenoxide, is een organische verbinding die wordt gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder de productie van schuim, plastic en antivries, maar ook voor desinfectie en sterilisatie. Traditioneel wordt propyleenoxide geproduceerd door propyleen te laten reageren met hypochloorzuur of waterstofperoxide. Elk heeft zijn eigen nadeel.

"Bij hypochloorzuur krijg je een chloridebijproduct dat je in het milieu loost. Om die reden worden er steeds minder vergunningen verleend voor installaties die het hypochloorzuurproces gebruiken", zegt Manthiram. "Dat heeft mensen gedwongen om over te schakelen naar op peroxide gebaseerde processen, maar je hebt een enorme veiligheidsuitdaging. Elke keer dat je waterstofperoxide in contact brengt met organische verbindingen, bestaat er een dreigend explosiegevaar."

Het doel van de groep was om een ​​veilige methode te ontwikkelen voor de productie van propyleenepoxide die geen milieu-uitstoot veroorzaakte of een grote ecologische voetafdruk had. Manthiram zegt dat het team begon met het zoeken naar een katalysator die propyleenepoxide kan produceren met behulp van het zuurstofatoom dat in een watermolecuul wordt aangetroffen. Het enige bijproduct zou waterstofgas zijn, dat kan worden gebruikt als brandstof of bij de productie van andere chemicaliën.

"Het hele uitgangspunt was dat water veilig is", zegt hij. “Het levert geen intrinsiek veiligheidsrisico op en er is geen bijproduct dat schadelijk is voor het milieu. In plaats daarvan maak je waterstof, iets waar we in de toekomst meer van moeten maken. Daar zijn we mee begonnen. "

De groep beperkte zich tot twee katalysatoren:platinaoxide en palladiumoxide. Beiden voerden de reactie uit die het team wilde, maar niet voldoende goed om bruikbaar te zijn. Platinaoxide produceerde propyleenepoxide in hoge snelheid, maar op een slordige manier, waardoor er veel ongewenste bijproducten ontstonden. Palladiumoxide produceerde daarentegen propyleenepoxide met minder bijproducten, maar dit gebeurde vrij langzaam.

Manthiram zegt dat de oplossing was om de twee katalysatoren te combineren.

"Door deze twee samen te voegen, werd het probleem uiteindelijk opgelost", zegt Minju Chung, hoofdauteur en voormalig postdoctoraal onderzoeker aan het Georgia Institute of Technology, nu bij MIT. "Vervolgens hebben we veel tijd besteed aan het begrijpen waarom dat mengsel beter werkt. Het is geen eenvoudige verklaring."

Met behulp van röntgenabsorptiespectroscopie (een techniek die de atomaire en elektronische structuur van materialen kan onthullen door ze te bombarderen met röntgenstraling), stelden de onderzoekers vast dat platina in een mengsel van platinaoxide en palladiumoxide in een toestand verkeert die ervoor zorgt dat het is een efficiëntere katalysator.

"Het blijkt dat een van de meest dramatische effecten van de overstap van platinaoxide naar palladium-platinaoxide is dat je het platina in een hogere oxidatietoestand kunt stabiliseren", zegt Manthiram. "In een hogere oxidatietoestand is de zuurstof die aan het platina is gehecht meer verstoken van elektronen, waardoor het reactiever wordt met het elektronenrijke propyleen. We zien door een hele reeks experimenten dat het stabiliseren van platina in een hogere oxidatietoestand leidt tot aanzienlijk verbeterde snelheid en efficiëntie van propyleenepoxidatie."

Met behulp van de nieuwe katalysator is de productiesnelheid van propyleenoxide tien keer hoger dan voorheen, en is de efficiëntie met 13 procent toegenomen, zegt Manthiram.

Manthiram zegt dat toekomstig onderzoek zich zal concentreren op het testen van de katalysator om te zien hoe deze van een laboratoriumopstelling naar een industriële omgeving kan worden gebracht. Daarvoor zijn analyses nodig die onderzoeken hoe lang de katalysator meegaat voordat deze afbreekt en hoe goed deze op grotere schaal presteert, evenals de ontwikkeling van een proces om het propyleenepoxide uit het systeem te verwijderen terwijl het wordt geproduceerd.

"Het is tijd om dit materiaal uit deze fundamentele wetenschappelijke context te halen", zegt hij. "Dat zal voor ons echt verhelderend zijn, omdat het ons zal laten zien wat de volgende dingen zijn waar we aan moeten werken."

Het artikel waarin het werk wordt beschreven, "Direct propylene epoxidation via water activation over Pd-Pt electrocatalysts", verschijnt in het nummer van 4 januari van Science. .

Meer informatie: Minju Chung et al, Directe propyleenepoxidatie via wateractivering via Pd-Pt-elektrokatalysatoren, Wetenschap (2024). DOI:10.1126/science.adh4355

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door California Institute of Technology