La catalisi guidata dalla luce e dall'acqua produce etilene di grado polimerico. Credito:Northwestern University
I chimici della Northwestern University si sono ispirati alle piante per rivoluzionare il modo in cui viene prodotta un'importante sostanza chimica industriale.
In una prima volta sul campo, il team della Northwestern ha utilizzato luce e acqua per convertire l'acetilene in etilene, una sostanza chimica ampiamente utilizzata e di grande valore che è un ingrediente chiave nella plastica.
Sebbene questa conversione richieda tipicamente temperature e pressioni elevate, idrogeno infiammabile e metalli costosi per guidare la reazione, il processo simile alla fotosintesi della Northwestern è molto meno costoso e meno dispendioso in termini di energia. Non solo il nuovo processo è ecologico, ma funziona anche incredibilmente bene, convertendo con successo quasi il 100% di acetilene in etilene.
"Nell'industria, questo metodo richiede processi ad alta intensità energetica che richiedono temperature elevate, un'alimentazione esterna di gas idrogeno infiammabile e materiali contenenti metalli nobili, che sono costosi e difficili da ottenere", ha affermato Francesca Arcudi di Northwestern, co-prima autrice dello studio . "La nostra nuova strategia risolve tutti questi problemi in una volta. Funziona utilizzando luce e acqua al posto di alte temperature e idrogeno. E invece di metalli costosi, utilizziamo materiali naturalmente abbondanti ed economici".
La strategia risultante ha funzionato incredibilmente bene. Mentre l'attuale processo industriale determina una selettività del 90% per l'etilene, l'approccio nordoccidentale ha una selettività del 99% per l'etilene.
"Questo è importante perché è una sostanza chimica di base con un alto valore economico", ha affermato Luka Ðorđević della Northwestern, co-primo autore dello studio. "Più puoi produrre senza sprechi, meglio è."
Lo studio sarà pubblicato giovedì (9 giugno) sulla rivista Nature Chemistry. È il primo rapporto di ricercatori che utilizzano la luce per convertire l'acetilene in etilene.
Questo documento è il risultato di una collaborazione tra Emily Weiss e Samuel I. Stupp e del loro sforzo congiunto nell'ambito del Center for Bio-Inspired Energy Science (CBES) presso la Northwestern. Weiss, professore di chimica al Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern, è l'autore corrispondente del documento. Arcudi è ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Weiss. Ðorđević è un borsista post-dottorato nel laboratorio di Stupp. Stupp è Professore del Board of Trustees di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Chimica, Medicina e Ingegneria Biomedica presso la Northwestern, con incarichi al Weinberg College, alla McCormick School of Engineering e alla Northwestern University Feinberg School of Medicine.
"In CBES ci sforziamo di affrontare le sfide fondamentali traendo ispirazione dalla natura", ha affermato Stupp, direttore di CBES. "La vitamina B12, uno dei pochi cofattori organometallici presenti in natura, è stata utilizzata in questo documento come fonte di ispirazione per progettare il nostro catalizzatore."
In quanto precursore del 50-60% di tutta la plastica del mondo, l'etilene è un prodotto caldo. Per soddisfare la domanda sempre crescente di sostanze chimiche preziose, l'industria produce più di 200 milioni di tonnellate di etilene all'anno.
Per generare etilene, i chimici utilizzano lo steam cracking, un metodo industriale che utilizza vapore caldo per scomporre l'etano in molecole più piccole, che vengono poi distillate in etilene. Ma la sostanza chimica risultante contiene una piccola quantità di acetilene, un contaminante che disattiva i catalizzatori per impedire che l'etilene si converta correttamente in plastica. Prima che l'etilene possa essere trasformato in plastica, l'acetilene deve essere rimosso o convertito in etilene.
"La rimozione o la conversione dell'acetilene per ottenere etilene puro è un processo ben noto nel settore", ha affermato Weiss. "Il processo presenta molti problemi, motivo per cui la comunità scientifica ha cercato di proporre un'alternativa a questo processo. La produzione di etilene di grado polimerico dalla carica di anidride carbonica è un'alternativa desiderabile, ma questa strada non è ancora sufficientemente sviluppata. La nostra strategia è un primo e importante passo verso la produzione di questo importante prodotto chimico con la minor impronta energetica possibile."
In particolare, è necessaria un'incredibile quantità di energia per raggiungere le elevate temperature e pressioni richieste per una reazione chimica di successo. Richiede anche costosi catalizzatori a base di metalli nobili, come il palladio. E poiché il processo si basa sui protoni dell'idrogeno, prodotto da combustibili fossili, genera grandi quantità di anidride carbonica.
La strategia della Northwestern aggira tutti questi problemi. Per convertire l'acetilene in etilene, i chimici della Northwestern hanno sostituito il catalizzatore al palladio con il cobalto, un'alternativa meno costosa e più abbondante. Hanno anche utilizzato la temperatura ambiente e la pressione ambiente. Al posto del calore, usavano la luce visibile. E, infine, hanno sostituito l'idrogeno con acqua naturale come fonte di protoni.
Lo studio è intitolato "Fotocatalisi selettiva a luce visibile dell'acetilene in etilene utilizzando un catalizzatore molecolare di cobalto e acqua come fonte di protoni". + Esplora ulteriormente
