Крупнейшим источником глобального потребления энергии является промышленное производство таких продуктов, как пластмассы, железо и сталь. Мало того, что производство этих материалов требует огромного количества энергии, многие реакции также прямо выделяют углекислый газ в качестве побочного продукта.
Стремясь помочь сократить это энергопотребление и связанные с ним выбросы, инженеры-химики Массачусетского технологического института разработали альтернативный подход к синтезу эпоксидов, типа химического вещества, которое используется для производства различных продуктов, включая пластмассы, фармацевтические препараты и текстиль.. Их новый подход, в котором для запуска реакции используется электричество, можно проводить при комнатной температуре и атмосферном давлении, исключая при этом двуокись углерода в качестве побочного продукта.
Что не часто осознается, так это то, что потребление энергии в промышленности намного больше, чем в транспорте или в жилых помещениях. Это слон в комнате, и технический прогресс в плане возможности сокращения промышленных потребление энергии», - говорит Картиш Мантирам, доцент химического машиностроения и главный автор нового исследования.
Исследователи подали заявку на патент на свою технику, и теперь они работают над повышением эффективности синтеза, чтобы его можно было адаптировать для крупномасштабного промышленного использования.
Постдоктор Массачусетского технологического института Кёнгсук Джин является ведущим автором статьи, опубликованной в Интернете 9 апреля в Журнале Американского химического общества. Среди других авторов - аспиранты Джозеф Маалуф, Никифар Лазуски и Натан Корбин, а также постдокторант Денгтао Ян.
Вездесущие химикаты
Эпоксиды, ключевой химической особенностью которых является трехчленное кольцо, состоящее из атома кислорода, связанного с двумя атомами углерода, используются для производства таких разнообразных продуктов, как антифризы, моющие средства и полиэфиры.
«Невозможно прожить даже короткий период жизни, не прикоснувшись, не пощупав и не надев что-то, что в какой-то момент своей истории было связано с эпоксидом. Они вездесущи», - говорит Мантирам. «Они находятся в очень многих разных местах, но мы склонны не думать о встроенной энергии и выбросах углекислого газа».
Некоторые эпоксиды входят в число химических веществ с наибольшим углеродным следом. Производство одного распространенного эпоксида, этиленоксида, является пятым по величине выбросом углекислого газа среди всех химических продуктов.
Производство эпоксидов требует многих химических стадий, и большинство из них очень энергоемки. Например, реакция, используемая для присоединения атома кислорода к этилену с образованием оксида этилена, должна проводиться при температуре почти 300 градусов Цельсия и при давлении, в 20 раз превышающем атмосферное давление. Кроме того, большая часть энергии, используемой для производства такого рода продукции, поступает из ископаемого топлива.
В дополнение к углеродному следу реакция, используемая для производства оксида этилена, также приводит к образованию двуокиси углерода в качестве побочного продукта, который выбрасывается в атмосферу. Другие эпоксиды производятся с использованием более сложного подхода, включающего опасные пероксиды, которые могут быть взрывоопасными, и гидроксид кальция, который может вызвать раздражение кожи.
Чтобы придумать более устойчивый подход, команда Массачусетского технологического института вдохновилась реакцией, известной как окисление воды, которая использует электричество для расщепления воды на кислород, протоны и электроны. Они решили попробовать провести окисление воды, а затем присоединить атом кислорода к органическому соединению, называемому олефином, который является предшественником эпоксидов..
Это был контринтуитивный подход, говорит Мантирам, потому что олефины и вода обычно не могут реагировать друг с другом. Однако они могут реагировать друг с другом при подаче электрического напряжения.
Чтобы воспользоваться этим преимуществом, команда Массачусетского технологического института разработала реактор с анодом, в котором вода расщепляется на кислород, ионы водорода (протоны) и электроны. Наночастицы оксида марганца действуют как катализатор, помогая протеканию этой реакции, и включают кислород в олефин с образованием эпоксида. Протоны и электроны устремляются к катоду, где превращаются в газообразный водород.
Термодинамически для этой реакции требуется всего около 1 вольта электричества, что меньше напряжения стандартной батарейки типа АА. Реакция не приводит к образованию углекислого газа, и исследователи предполагают, что они могли бы еще больше уменьшить углеродный след, используя электричество из возобновляемых источников, таких как солнце или ветер, для преобразования эпоксида..
Увеличение масштаба
На данный момент исследователи показали, что они могут использовать этот процесс для создания эпоксида, называемого циклооктеноксидом, и сейчас они работают над его адаптацией к другим эпоксидам. Они также пытаются сделать преобразование олефинов в эпоксиды более эффективным - в этом исследовании около 30 процентов электрического тока идет на реакцию преобразования, но они надеются удвоить это число..
По их оценкам, их процесс, если его увеличить, может производить оксид этилена по цене 900 долларов за тонну по сравнению с 1 500 долларами за тонну при использовании существующих методов. Эта стоимость может быть снижена еще больше, поскольку процесс становится более эффективным. Еще один фактор, который может способствовать экономической жизнеспособности этого подхода, заключается в том, что он также генерирует водород в качестве побочного продукта, который сам по себе ценен для питания топливных элементов.
Исследователи планируют продолжить разработку технологии в надежде, что в конечном итоге она будет коммерциализирована для промышленного использования, и они также работают над использованием электричества для синтеза других видов химических веществ.
«Есть много процессов, которые имеют огромные выбросы углекислого газа, и декарбонизация может быть вызвана электрификацией», - говорит Мантирам. «Можно устранить температуру, устранить давление и вместо этого использовать напряжение».
Исследование финансировалось Департаментом химического машиностроения Массачусетского технологического института и стипендией Национального научного фонда.