Noul catalizator de cupru transformă eficient CO2 în acetaldehidă

Oamenii de știință conduși de EPFL, Universitatea din Copenhaga și Universitatea din Shanghai au dezvoltat un catalizator de cupru care poate transforma eficient dioxidul de carbon în acetaldehidă, o substanță chimică cheie folosită în producție. Descoperirea oferă o alternativă ecologică la procesele bazate pe combustibili fosili.

Acetaldehida este o substanță chimică vitală folosită în fabricarea tuturor, de la parfumuri la materiale plastice. Pentru producția de automobile, acetaldehida este utilizată în:

• Rășini polimerice și acoperiri. Acetaldehida este un precursor în producția de pentaeritritol, care este folosit pentru a face rășini alchidice pentru vopsele și acoperiri. Aceste rășini sunt cruciale pentru a oferi finisaje durabile, rezistente la coroziune pe piesele de automobile, cum ar fi panourile caroseriei și componentele șasiului.
•  

  Adezivi și etanșanți. Este utilizat în sinteza acetatului de polivinil, care este un polimer comun în adezivi. Acești adezivi sunt utilizați la asamblarea pieselor auto, oferind capacități puternice de lipire atât pentru aplicații interioare, cât și exterioare.

• Plastifianți. Acetaldehida poate fi utilizată la fabricarea diverșilor plastifianți, care sunt esențiali în fabricarea materialelor plastice flexibile și durabile utilizate în interioarele auto, cum ar fi panourile de bord sau husele scaunelor. Producția de n-butiraldehidă din acetaldehidă, care este apoi utilizată pentru a face plastifianți, este deosebit de relevantă.
• Cauciuc sintetic și materiale plastice. Acetaldehida servește ca intermediar în producția de cauciuc sintetic și alte materiale plastice, care sunt parte integrantă a multor piese auto datorită durabilității, elasticității și rezistenței la uzură.
• Aditivi pentru combustibil. Deși nu direct, acetaldehida poate face parte din procesele care conduc la producerea anumitor aditivi sau componente pentru combustibil. Rolul său în sinteza acidului acetic, care poate fi folosit în continuare în aditivii de combustibil sau în producția de biocombustibili, sprijină indirect producția de automobile.

Astăzi, producția de acetaldehidă se bazează în mare măsură pe etilenă, un produs petrochimic. Preocupările tot mai mari de mediu împing industria chimică să-și reducă dependența de combustibilii fosili, așa că oamenii de știință au căutat modalități mai ecologice de a produce acetaldehidă.

În prezent, acetaldehida este produsă prin procesul Wacker, o metodă de sinteză chimică care utilizează etilena din petrol și gaze naturale cu alte substanțe chimice precum acizii tari, adică acidul clorhidric. Procesul Wacker nu numai că are o amprentă mare de carbon, dar este bogat în resurse și este nesustenabil pe termen lung.

O soluție promițătoare la această problemă este reducerea electrochimică a dioxidului de carbon (CO ₂ ) în produse utile. Deoarece CO ₂ este un deșeu care contribuie la încălzirea globală, această abordare abordează simultan două probleme de mediu: reduce emisiile de CO ₂ și creează substanțe chimice valoroase.

Catalizatorii pe bază de cupru au arătat potențialul pentru această transformare, dar până acum s-au luptat cu selectivitatea scăzută. Acum, oamenii de știință ai unui consorțiu public-privat, condus de Cedric David Koolen în grupul lui Andreas Züttel de la EPFL, Jack K. Pedersen de la Universitatea din Copenhaga și Wen Luo de la Universitatea din Shanghai au dezvoltat un nou catalizator pe bază de cupru care poate convertesc selectiv CO2 _în acetaldehidă cu o eficiență de 92%.

Cercetarea, publicată în Nature Synthesis , oferă o modalitate mai ecologică și mai durabilă de a produce acetaldehidă și ar putea înlocui procesul Wacker. În plus, catalizatorul este scalabil și rentabil, deschizând ușa pentru aplicații industriale.

Cercetătorii au început prin a sintetiza grupuri mici de particule de cupru, fiecare cu dimensiunea de aproximativ 1,6 nanometri, folosind o metodă numită ablația cu scântei. Această tehnică implică vaporizarea electrozilor de cupru într-un mediu cu gaz inert și a permis oamenilor de știință să controleze cu precizie dimensiunile particulelor. Grupurile de cupru au fost apoi imobilizate pe suporturi de carbon pentru a crea un catalizator stabil și reutilizabil.

În laborator, echipa a testat performanța catalizatorului executându-l printr-o serie de reacții electrochimice cu CO ₂ într-un mediu controlat. Folosind un sincrotron – o instalație la scară largă care generează o sursă de lumină foarte strălucitoare – echipa s-a asigurat că grupurile de cupru transformau în mod activ CO ₂ în acetaldehidă printr-o tehnică numită spectroscopie de absorbție cu raze X.

Rezultatele au fost remarcabile. Grupurile de cupru au atins o selectivitate de 92% pentru acetaldehidă la o tensiune relativ scăzută, care este esențială pentru eficiența energetică. Într-un test de stres de 30 de ore, catalizatorul a demonstrat o stabilitate ridicată, menținându-și performanța pe mai multe cicluri. Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că particulele de cupru și-au păstrat natura metalică pe tot parcursul reacției, ceea ce contribuie la longevitatea catalizatorului.

Ceea ce a fost cu adevărat surprinzător pentru noi a fost că cuprul a rămas metalic, chiar și după eliminarea potențialului și expunerea la aer. Cuprul se oxidează de obicei ca un nebun, mai ales cuprul atât de mic. Dar, în cazul nostru, o înveliș de oxid s-a format în jurul clusterului protejând miezul de oxidarea ulterioară. Și asta explică reciclabilitatea materialului. Chimie fascinantă. — co-autor principal Wen Luo

Simulările computaționale au arătat că clusterele de cupru prezintă o configurație specifică de atomi care promovează moleculele de CO ₂ să se lege și să se transforme într-un mod care favorizează producția de acetaldehidă față de alte produse posibile, cum ar fi etanolul sau metanul.

Noul catalizator de cupru este un pas semnificativ către o chimie industrială mai ecologică. Dacă este extins, ar putea înlocui procesul Wacker, reducând nevoia de produse petrochimice și reducând emisiile de CO ₂ . Deoarece acetaldehida este un element de bază pentru multe alte substanțe chimice, această cercetare are potențialul de a transforma mai multe industrii, de la farmaceutice la agricultură.

Resurse

• Koolen, CD, Pedersen, JK, Zijlstra, B., Winzely, M., Zhang, J., Pfeiffer, TV, Vrijburg, W., Li, M., Agarwal, A., Akbari, Z., Kuddusi, Y ., Herranz, J., Safonova, OV, Schmidt-Ott, A., Luo, W., Züttel, A. Sinteză scalabilă de catalizatori cu cluster de Cu prin ablația cu scântei pentru conversia electrochimică extrem de selectivă a CO ₂ în acetaldehidă. Nature Synthesis 03 ianuarie 202