Przełamanie dekady zastoju
Naukowcy z Huazhong University of Science and Technology oraz Eindhoven University of Technology pod kierunkiem profesorów Peng Liu i Emiela J.M. Hensena stworzyli katalizator Au/LaMnCuO3. Urządzenie osiąga 95% wydajności w temperaturze 225 stopni Celsjusza, co stanowi wyraźną poprawę w porównaniu z poprzednimi rozwiązaniami. Z drugiej strony, wcześniejsze narzędzia zapewniały podobną wydajność, kecz wymagały wyższej temperatury, sięgającej 250 stopni. Nowy katalizator utrzymywał stabilność przez 80 godzin testów, co stanowi dobry wynik, choć wciąż daleki od wymagań przemysłowej skali produkcji.
Czytaj też: PIRET zmienia oblicze chemii na zawsze. Naukowcy wykorzystali światło w zupełnie nowy sposób
Sekret skuteczności katalizatora tkwi w jego budowie. Badacze odkryli, iż kluczowe znaczenie ma optymalny stosunek manganu do miedzi w strukturze perowskitu. Wersja Au/LaMn0.75Cu0.25O3 okazała się najbardziej efektywna. Zwiększanie zawartości miedzi nie przynosiło spodziewanych korzyści. Wręcz przeciwnie: prowadziło do utraty aktywnej formy tego pierwiastka podczas reakcji. To pokazuje, jak delikatna musi być równowaga w tego typu rozwiązaniach.
Komputerowe odsłanianie mechanizmów
Dzięki symulacjom opartym na teorii funkcjonału gęstości udało się zrozumieć działanie katalizatora. Domieszkowanie miedzią tworzy aktywne miejsca w pobliżu nanocząstek złota, co ułatwia aktywację cząsteczek tlenu i etanolu. Reakcja przebiega dwuetapowo. Najpierw następuje rozszczepienie wiązania O–H zaadsorbowanego etanolu przez zasadowy atom tlenu sieci perowskitu. Następnie dochodzi do rozszczepienia alfa-C-H za pomocą nanocząstek złota. Cząsteczkowy tlen adsorbuje się w wolnym miejscu, generując anion nadtlenkowy jako aktywowaną formę tlenu. Okazuje się, iż tworzenie wody w drugiej części cyklu katalitycznego decyduje o szybkości całej reakcji. Umiarkowane domieszkowanie miedzią obniża barierę energetyczną dla tego procesu, lecz zbyt duża ilość tego pierwiastka przynosi efekt odwrotny do zamierzonego. Tradycyjna metoda produkcji aldehydu octowego, proces Wackera, opiera się na etylenie z ropy naftowej. Nowe rozwiązanie wykorzystuje bioetanol, co wpisuje się w globalne dążenia do zastąpienia paliw kopalnych biomasą.
Czytaj też: Uniwersalny przycisk zmienia fizykę kwantową. Naukowcy czynią cuda jednym ruchem
Zastąpienie paliw kopalnych biomasą do produkcji wartościowych chemikaliów ma ogromne znaczenie dla realizacji celów zrównoważonego rozwoju przemysłu chemicznego – tłumaczą członkowie zespołu badawczego
Obniżenie temperatury reakcji oznacza mniejsze zużycie energii, co przy skalowaniu do rozmiarów przemysłowych mogłoby przynieść wymierne korzyści. Wyniki badań opublikowano w Chinese Journal of Catalysis. Opisany w artykule katalizator wykazuje lepsze parametry niż dotychczasowe rozwiązania i cechuje się dobrą stabilnością, prezentując nowatorską synergię między złotem, manganem i miedzią. Niższe zużycie energii i wykorzystanie odnawialnych surowców to niewątpliwe atuty, ale ważne będą też aspekty pokroju kosztów produkcji i trwałości katalizatora w warunkach przemysłowych. Jeśli rozwiązanie spełni pokładane w nim nadzieje, może stać się ważnym krokiem w kierunku bardziej zrównoważonego przemysłu chemicznego.