L’industria chimica è stata a lungo messa in ombra da immagini indesiderate di ciminiere fluttuanti e di tubi che scaricano effluenti tossici. Le moderne pratiche di produzione hanno fatto molto per mitigare l'impatto ambientale del settore, ma c'è ancora spazio per miglioramenti.
Rendere la chimica più rispettosa dell'ambiente è una passione e un importante obiettivo di ricerca per Karthish Manthiram del Caltech, professore di ingegneria chimica e chimica e studioso di William H. Hurt.
In un articolo apparso sulla rivista Science , il laboratorio di Manthiram descrive lo sviluppo di un catalizzatore per la produzione di una materia prima chimica ampiamente utilizzata senza le sostanze chimiche tossiche e pericolose normalmente necessarie per la sua produzione.
La materia prima chimica, l'ossido di propilene, è un composto organico utilizzato in una varietà di applicazioni, tra cui la produzione di schiume, plastica e antigelo, nonché per la disinfezione e la sterilizzazione. Tradizionalmente, l'ossido di propilene viene prodotto facendo reagire il propilene con acido ipocloroso o perossido di idrogeno. Ognuno ha il suo svantaggio.
"Con l'acido ipocloroso, ti ritrovi con un prodotto collaterale cloruro che scarichi nell'ambiente. Per questo motivo, vengono concessi sempre meno permessi per consentire impianti che utilizzano il processo dell'acido ipocloroso", afferma Manthiram. "Ciò ha costretto le persone a spostarsi verso processi basati sul perossido, ma c'è questa enorme sfida per la sicurezza. Ogni volta che il perossido di idrogeno entra in contatto con composti organici, c'è il rischio incombente di esplosioni."
L'obiettivo del gruppo era quello di sviluppare un metodo sicuro per la produzione di epossido di propilene che non producesse scarichi ambientali o avesse una grande impronta di carbonio. Manthiram afferma che il team ha iniziato cercando un catalizzatore in grado di produrre epossido di propilene utilizzando l'atomo di ossigeno presente in una molecola d'acqua. L'unico prodotto collaterale sarebbe il gas idrogeno, che può essere utilizzato come combustibile o nella produzione di altri prodotti chimici.
"L'intera premessa era che l'acqua è sicura", afferma. "Non presenta un rischio intrinseco per la sicurezza e non vi è alcun prodotto collaterale dannoso per l'ambiente derivante dal processo. Invece, stai producendo idrogeno, che è qualcosa di cui dobbiamo sfruttare di più in futuro. È da lì che abbiamo iniziato. "
Il gruppo si è ristretto su due catalizzatori:ossido di platino e ossido di palladio. Entrambi hanno eseguito la reazione che la squadra voleva, ma non sufficientemente bene da essere utili. L'ossido di platino produceva epossido di propilene a velocità elevate, ma in modo disordinato, creando molti prodotti collaterali indesiderati. Al contrario, l'ossido di palladio produceva epossido di propilene con meno prodotti collaterali, ma lo faceva piuttosto lentamente.
Manthiram afferma che la soluzione era combinare i due catalizzatori.
"Mettere insieme i due elementi ha effettivamente risolto il problema", afferma Minju Chung, autore principale ed ex studioso post-dottorato presso il Georgia Institute of Technology, ora al MIT. "Poi abbiamo passato molto tempo a capire perché quella miscela funziona meglio. Non è una spiegazione semplice."
Utilizzando la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (una tecnica che può rivelare la struttura atomica ed elettronica dei materiali bombardandoli con raggi X), i ricercatori hanno determinato che in una miscela di ossido di platino e ossido di palladio, il platino esiste in uno stato che lo rende è un catalizzatore più efficiente.
"Si scopre che uno degli effetti più drammatici del passaggio dall'ossido di platino all'ossido di palladio-platino è che è possibile stabilizzare il platino in uno stato di ossidazione più elevato", afferma Manthiram. "Quando si trova in uno stato di ossidazione più elevato, l'ossigeno attaccato al platino è più privato di elettroni, rendendolo più reattivo con il propilene ricco di elettroni. Vediamo attraverso tutta una serie di esperimenti che la stabilizzazione del platino in uno stato di ossidazione più elevato porta a significativamente velocità ed efficienza migliorate dell'epossidazione del propilene."
Utilizzando il nuovo catalizzatore, il tasso di produzione di ossido di propilene è 10 volte superiore a quello ottenuto in precedenza e l'efficienza è aumentata del 13%, afferma Manthiram.
Manthiram afferma che la ricerca futura si concentrerà sui test del catalizzatore per vedere come può essere portato da un laboratorio a ambienti industriali. Ciò richiederà analisi che esaminino quanto tempo dura il catalizzatore prima di degradarsi e quanto bene funziona su scala più ampia, nonché lo sviluppo di un processo per rimuovere l'epossido di propilene dal sistema man mano che viene prodotto.
"È tempo di differenziare questo materiale da questo contesto scientifico fondamentale", afferma. "Sarà davvero illuminante per noi perché ci mostrerà quali sono le prossime cose su cui dovremmo lavorare."
L'articolo che descrive il lavoro, "Epossidazione diretta del propilene tramite attivazione dell'acqua su elettrocatalizzatori Pd-Pt", appare nel numero del 4 gennaio di Science .
Ulteriori informazioni: Minju Chung et al, Epossidazione diretta del propilene tramite attivazione dell'acqua su elettrocatalizzatori Pd-Pt, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adh4355
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dal California Institute of Technology
