Вчені знайшли спосіб отримувати хімікати з пропілену без дорогих металів

Група дослідників відкрила новий метод виробництва цінних промислових хімікатів з пропілену, використовуючи поширений та недорогий матеріал — діоксид свинцю. Результати дослідження показують, що атоми кисню всередині самого каталізатора відіграють пряму та активну роль у хімічній реакції. Це відкриття створює можливості для розробки більш екологічних та доступних методів виробництва ключових інгредієнтів для повсякденних матеріалів, таких як пластик, волокна для одягу та ізоляційні піни.

Деталі дослідження опубліковані в журналі Catalysis Science & Technology.

Традиційно окиснення пропілену залежить від благородних металів, таких як платина та паладій. Це рідкісні та дорогі метали, видобуток яких залишає значний екологічний слід. Крім того, сучасні промислові процеси окиснення часто використовують небезпечні окисники, такі як хлор або пероксиди, що створює серйозні проблеми безпеки та утилізації відходів.

Хао Лі, професор з Передового інституту досліджень матеріалів Університету Тохоку, який очолив дослідження, зазначає, що його команда вирішила знайти безпечнішу та екологічнішу альтернативу. Їхнє дослідження демонструє, що діоксид свинцю, оксид неблагородного металу, може ефективно каталізувати окиснення пропілену за допомогою електрики. Замість того, щоб покладатися на зовнішні окисники, кисень для реакції надходить безпосередньо з кристалічної решітки самого каталізатора з діоксиду свинцю.

Процес працює як акумулятор, який віддає накопичену енергію, а потім поповнюється знову. Каталізатор «віддає» атоми кисню зі своєї структури для забезпечення реакції, а потім «перезаряджається», забираючи свіжий кисень з води в системі. Цей вбудований цикл переробки підтримує ефективну та чисту роботу реакції без потреби в небезпечних хімікатах.

Дослідники підтвердили цей унікальний механізм, використовуючи передові методи спостереження, які дозволяють відстежувати хімічні процеси в режимі реального часу. За допомогою електрохімічної інфрачервоної спектроскопії з повним внутрішнім відбиттям з перетворенням Фур'є вони виявили ключові проміжні продукти реакції, що утворюються на поверхні каталізатора.

Водночас диференційна електрохімічна мас-спектрометрія надала прямі докази того, що решітковий кисень активно бере участь у реакції окиснення.

Лі додає, що метою команди було зрозуміти, як неблагородні метали можуть виконувати ту саму хімію, що й благородні, але більш екологічним способом. Показавши, що решітковий кисень відіграє активну роль, дослідники відкрили нові можливості для розробки каталізаторів, які є одночасно ефективними та екологічно безпечними.

Ця робота не лише доводить новий механізм реакції, але й підтверджує теоретичні прогнози, які вчені пропонували протягом років, але з якими стикалися з труднощами під час експериментальної перевірки. Поєднуючи передові методи з ретельним контролем умов реакції, команда надала чітке уявлення про те, як вакансії кисню та решітковий кисень взаємодіють під час електрохімічного окиснення.

У майбутньому дослідники планують удосконалити конструкцію свого каталізатора. Вони мають намір модифікувати електронну структуру діоксиду свинцю шляхом легування та інженерії кисневих вакансій, досліджуючи, як різні метали та рівні вакансій впливають на ефективність та селективність реакції.

Усі експериментальні та обчислювальні дані з цього дослідження доступні через Цифрову платформу каталізу — загальнодоступну базу даних, розроблену лабораторією Хао Лі для підтримки відкритої наукової співпраці та розробки каталізаторів у всьому світі.

Відкриття має важливе значення для промисловості, оскільки пропонує альтернативу дорогим благородним металам у виробництві хімікатів. Використання діоксиду свинцю може знизити витрати виробництва та зменшити екологічний вплив промислових процесів окиснення. Це особливо актуально в контексті зростаючого попиту на екологічно чисті технології та матеріали.