Рідкі метали можуть стати довгоочікуваним рішенням для «озеленення» хімічної промисловості, на думку дослідників, які випробували нову техніку, яка, як вони сподіваються, може замінити енергоємні процеси хімічної інженерії, які ведуть свій початок з початку 20 століття. Приблизно 10-15% світових викидів парникових газів є результатом хімічного виробництва. Крім того, хімічні заводи споживають понад 10% світової енергії.
Висновки, нещодавно опубліковані в Nature Nanotechnology, пропонують вкрай необхідну інновацію, яка відходить від старих, енергоємних каталізаторів, виготовлених із твердих матеріалів. Дослідження очолює професор Курош Калантар-Заде, керівник Школи хімічної та біомолекулярної інженерії Університету Сіднея, і доктор Джунма Танг, який спільно працює в Університеті Сіднея та UNSW.
Каталізатор — це речовина, завдяки якій хімічні реакції відбуваються швидше та легше, не беручи участі в реакції. Тверді каталізатори, як правило, тверді метали або тверді сполуки металів, зазвичай використовуються в хімічній промисловості для виготовлення пластмас, добрив, палива та сировини.
Однак хімічне виробництво з використанням твердих процесів є енергоємним і вимагає температури до тисячі градусів Цельсія.
Натомість новий процес використовує рідкі метали, у цьому випадку розчинення олова та нікелю, що надає їм унікальну мобільність, дозволяючи їм мігрувати на поверхню рідких металів і реагувати з вхідними молекулами, такими як рапсова олія. Це призводить до обертання, фрагментації та повторної збірки молекул ріпакової олії в більш дрібні органічні ланцюги, включаючи пропілен, високоенергетичне паливо, яке має вирішальне значення для багатьох галузей промисловості.
«Наш метод пропонує хімічній промисловості безпрецедентні можливості для зменшення споживання енергії та екологізації хімічних реакцій», — сказав професор Калантар-Заде.
«Очікується, що до 2050 року на хімічний сектор припадатиме понад 20 відсотків викидів», — сказав професор Калантар-Заде. «Але хімічне виробництво набагато менш помітне, ніж інші сектори — зміна парадигми життєво важлива».
Як працює процес
Атоми в рідких металах розташовані більш хаотично і мають більшу свободу руху, ніж тверді тіла. Це дозволяє їм легко вступати в контакт і брати участь у хімічних реакціях. «Теоретично вони можуть каталізувати хімічні речовини при набагато нижчих температурах, тобто потребують набагато менше енергії», — сказав професор Калантар-Заде.
У своєму дослідженні автори розчинили нікель і олово з високою температурою плавлення в рідкому металі на основі галію з температурою плавлення всього 30 градусів Цельсія.
«Шляхом розчинення нікелю в рідкому галію ми отримали доступ до рідкого нікелю при дуже низьких температурах, який діє як «супер» каталізатор». Для порівняння, температура плавлення твердого нікелю становить 1455 градусів Цельсія. Такий же ефект, у меншій мірі, також відчувається для металевого олова в рідкому галію», – сказав д-р Танг.
Метали диспергували в рідких металевих розчинниках на атомарному рівні. «Тож ми маємо доступ до одноатомних каталізаторів . Окремий атом — це найбільша доступна площа поверхні для каталізу, що дає надзвичайну перевагу для хімічної промисловості», — сказав доктор Аріфур Рахім, старший автор і співробітник DECRA у Школі хімічної та біомолекулярної інженерії.
Дослідники сказали, що їх формула також може бути використана для інших хімічних реакцій шляхом змішування металів за допомогою низькотемпературних процесів.
«Для каталізації потрібна така низька температура, що ми навіть теоретично могли б зробити це на кухні з газовою плитою, але не намагайтеся це робити вдома», — сказав доктор Тан.