Жидкие металлы меняют процессы химического машиностроения

Новая технология, использующая жидкие металлы в качестве катализаторов, обещает совершить революцию в химической промышленности, позволяя проводить низкотемпературные и энергоэффективные химические реакции, потенциально сокращая выбросы парниковых газов и потребление энергии. Выше — жидкий галлий в чашке Петри. Фото: Сиднейский университет/Филип Ричи.

Химической промышленности предоставляется «беспрецедентная возможность» изменить будущее химических процессов.

По мнению исследователей, испытавших новую технологию, которая, как они надеются, сможет заменить энергоемкие процессы химического машиностроения, восходящие к началу 20-го века, жидкие металлы могут стать долгожданным решением «озеленения» химической промышленности.

Около 10-15% мировых выбросов парниковых газов связаны с химическим производством. Кроме того, химические заводы потребляют более 10% мировой энергии.

Результаты, недавно опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, предлагают столь необходимые инновации, которые отходят от старых энергоемких катализаторов, изготовленных из твердых материалов. Исследование возглавляют профессор Курош Калантар-Заде, руководитель Школы химической и биомолекулярной инженерии Сиднейского университета, и доктор Джунма Тан, который работает совместно в Сиднейском университете и UNSW.

Твердые катализаторы

Катализатор – это вещество, которое ускоряет и облегчает протекание химических реакций, не участвуя в реакции. Твердые катализаторы, обычно твердые металлы или твердые соединения металлов, обычно используются в химической промышленности для производства пластмасс, удобрений, топлива и сырья.

Однако химическое производство с использованием твердых процессов является энергоемким и требует температуры до тысячи градусов по Цельсию.

Вместо этого в новом процессе используются жидкие металлы, в данном случае растворяющиеся олово и никель, что придает им уникальную подвижность, позволяя им мигрировать к поверхности жидких металлов и вступать в реакцию с исходными молекулами, такими как рапсовое масло. Это приводит к вращению, фрагментации и повторной сборке молекул канолового масла в более мелкие органические цепи, включая пропилен, высокоэнергетическое топливо, имеющее решающее значение для многих отраслей промышленности.

Помещение жидкого галлия в чашку Петри с помощью шприца. Фото: Сиднейский университет/Филип Ричи.

• «Наш метод предлагает химической промышленности беспрецедентную возможность снизить потребление энергии и сделать химические реакции более экологичными», — сказал профессор Калантар-Заде.
• «Ожидается, что к 2050 году на химический сектор будет приходиться более 20 процентов выбросов», — сказал профессор Калантар-Заде.
• «Но химическое производство гораздо менее заметно, чем другие отрасли – смена парадигмы жизненно важна».

Как работает процесс

Атомы жидких металлов расположены более хаотично и обладают большей свободой движения, чем твердые тела. Это позволяет им легко вступать в контакт и участвовать в химических реакциях. «Теоретически они могут катализировать химические вещества при гораздо более низких температурах, а это означает, что им требуется гораздо меньше энергии», — сказал профессор Калантар-Заде.

В своем исследовании авторы растворили тугоплавкие никель и олово в жидком металле на основе галлия с температурой плавления всего 30 градусов по Цельсию.

Доктор Джунма Тан (слева), доктор Арифур Рахим (в центре) и профессор Курош Калантар-Заде (справа). Фото: Сиднейский университет/Филип Ричи.

• «Растворив никель в жидком галлии, мы получили доступ к жидкому никелю при очень низких температурах, который действует как «супер» катализатор». Для сравнения, температура плавления твердого никеля составляет 1455 градусов по Цельсию. Тот же эффект, в меньшей степени, наблюдается и для металлического олова в жидком галлии», — сказал доктор Тан.

Металлы диспергировались в жидких металлических растворителях на атомном уровне.

• «Итак, у нас есть доступ к одноатомным катализаторам. Один атом — это самая высокая доступность площади поверхности для катализа, что дает замечательное преимущество химической промышленности», — сказал д-р Арифур Рахим, старший автор и научный сотрудник DECRA в Школе химической и биомолекулярной инженерии.

Исследователи заявили, что их формулу можно также использовать для других химических реакций путем смешивания металлов с помощью низкотемпературных процессов.

• «Для катализа требуется такая низкая температура, что теоретически мы могли бы даже сделать это на кухне с газовой плитой, но не пытайтесь повторить это дома», — сказал доктор Тан.

Источник

Метки: Нанотехнологии