Flüssige Metalle bringen jahrhundertealte Verfahren der Chemietechnik ins Wanken
Chemische Industrie hat "beispiellose Chance", die Zukunft chemischer Prozesse zu verändern
Flüssigmetalle könnten die lang erwartete Lösung sein, um die chemische Industrie "grüner" zu machen, so die Forscher, die eine neue Technik getestet haben, von der sie hoffen, dass sie energieintensive chemisch-technische Prozesse aus dem frühen 20. Jahrhundert ersetzen kann.
Schütteln von flüssigem Gallium in einer Petrischale.
University of Sydney/Philip Ritchie
Die chemische Produktion ist für etwa 10-15 Prozent der gesamten Treibhausgasemissionen verantwortlich. Mehr als 10 Prozent der weltweiten Gesamtenergie wird in Chemiefabriken verbraucht.
Die in Nature Nanotechnology veröffentlichten Ergebnisse bieten eine dringend benötigte Innovation, die sich von den alten, energieintensiven Katalysatoren aus festen Materialien abwendet. Die Forschungsarbeiten werden von Professor Kourosh Kalantar-Zadeh, Leiter der School of Chemical and Biomolecular Engineering der Universität Sydney, und Dr. Junma Tang, die gemeinsam an der Universität Sydney und der UNSW arbeitet, geleitet.
Ein Katalysator ist eine Substanz, die dafür sorgt, dass chemische Reaktionen schneller und leichter ablaufen, ohne an der Reaktion beteiligt zu sein. Feste Katalysatoren, in der Regel feste Metalle oder feste Metallverbindungen, werden in der chemischen Industrie häufig zur Herstellung von Kunststoffen, Düngemitteln, Kraftstoffen und Rohstoffen verwendet.
Die chemische Produktion mit festen Verfahren ist jedoch energieintensiv und erfordert Temperaturen von bis zu tausend Grad Celsius.
Bei dem neuen Verfahren werden stattdessen flüssige Metalle verwendet, in diesem Fall das Auflösen von Zinn und Nickel, was ihnen eine einzigartige Mobilität verleiht, so dass sie an die Oberfläche der flüssigen Metalle wandern und mit den Eingangsmolekülen wie Rapsöl reagieren können. Dies führt zur Rotation, Fragmentierung und Wiederzusammensetzung von Rapsölmolekülen in kleinere organische Ketten, einschließlich Propylen, einem energiereichen Kraftstoff, der für viele Industriezweige entscheidend ist.
"Unsere Methode bietet der chemischen Industrie eine beispiellose Möglichkeit, den Energieverbrauch zu senken und chemische Reaktionen umweltfreundlicher zu gestalten", so Professor Kalantar-Zadeh.
"Es wird erwartet, dass der Chemiesektor bis 2050 für mehr als 20 Prozent der Emissionen verantwortlich sein wird", so Professor Kalantar-Zadeh. "Aber die chemische Produktion ist viel weniger sichtbar als andere Sektoren - ein Paradigmenwechsel ist unerlässlich."
Wie der Prozess funktioniert
Die Atome in flüssigen Metallen sind zufälliger angeordnet und können sich freier bewegen als in festen Stoffen. Dadurch können sie leicht mit chemischen Reaktionen in Kontakt kommen und daran teilnehmen. "Theoretisch können sie Chemikalien bei viel niedrigeren Temperaturen katalysieren, was bedeutet, dass sie viel weniger Energie benötigen", sagte Professor Kalantar-Zadeh.
In ihrer Forschung lösten die Autoren hochschmelzendes Nickel und Zinn in einem flüssigen Metall auf Galliumbasis mit einem Schmelzpunkt von nur 30 Grad Celsius.
Indem wir Nickel in flüssigem Gallium auflösten, erhielten wir Zugang zu flüssigem Nickel bei sehr niedrigen Temperaturen, das als 'Super'-Katalysator fungiert". Im Vergleich dazu liegt der Schmelzpunkt von festem Nickel bei 1455 Grad Celsius. Derselbe Effekt tritt, in geringerem Maße, auch bei Zinnmetall in flüssigem Gallium auf", so Dr. Tang.
Die Metalle wurden in flüssigen Metalllösungsmitteln auf atomarer Ebene dispergiert. "So haben wir Zugang zu Einzelatom-Katalysatoren. Ein einzelnes Atom ist die größte zugängliche Oberfläche für die Katalyse, was einen bemerkenswerten Vorteil für die chemische Industrie darstellt", sagte Dr. Arifur Rahim, leitender Autor und DECRA-Fellow an der School of Chemical and Biomolecular Engineering.
Die Forscher erklärten, ihre Formel könne auch für andere chemische Reaktionen verwendet werden, indem Metalle bei niedrigen Temperaturen gemischt werden.
"Die Katalyse erfordert eine so niedrige Temperatur, dass wir sie theoretisch sogar in der Küche auf dem Gaskochfeld durchführen könnten - aber versuchen Sie das nicht zu Hause", sagte Dr. Tang.
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Originalveröffentlichung
Junma Tang, Andrew J. Christofferson, Jing Sun, Qingfeng Zhai, Priyank V. Kumar, Jodie A. Yuwono, Mohammad Tajik, Nastaran Meftahi, Jianbo Tang, Liming Dai, Guangzhao Mao, Salvy P. Russo, Richard B. Kaner, Md. Arifur Rahim, Kourosh Kalantar-Zadeh; "Dynamic configurations of metallic atoms in the liquid state for selective propylene synthesis"; Nature Nanotechnology, 2023-11-9
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