Все больше электроэнергии производят децентрализованно с использованием ветряных, гидро- и солнечных электростанций. «Таким образом, имеет смысл децентрализовать и химическое производство», — считает профессор Йоханнес Леркер, возглавляющий кафедру технической химии II Мюнхенского технического университета. «Теоретически любой муниципалитет может производить собственное топливо или удобрения».На сегодняшний день это невозможно, потому что химические процессы требуют большого количества энергии — больше, чем могут обеспечить местные возобновляемые источники энергии. «Таким образом, мы стремились найти новые процессы, которые заложили бы основы для распределенного производства химикатов, которые могут работать с использованием возобновляемых источников энергии», — объясняет химик, который также является директором Американского института интегрированного катализа в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.Его команда выполнила одно предварительное условие для перестройки химического производства: в лаборатории ученые продемонстрировали, что температуру, необходимую для расщепления углеродно-кислородных связей в кислом водном растворе, можно резко снизить с помощью кристаллов цеолита.
Кроме того, процесс протекал намного быстрее, чем без цеолитных катализаторов.Природа как модельПрирода послужила ориентиром для развития нового процесса.
В биологических системах ферменты с небольшими карманами на поверхности ускоряют химические процессы.«Мы думали о том, как применить эти биологические функции к органической химии», — объясняет Леркер. «В поисках подходящих катализаторов, ускоряющих реакцию, мы наткнулись на цеолиты — кристаллы с небольшими полостями, в которых реакции протекают в стесненных условиях, сравнимых с условиями в карманах ферментов».Загнутые в угол ионы гидроксония
Но действительно ли теснота увеличивает реактивность? Чтобы ответить на этот вопрос, команда Леркера сравнила реакции соединений углерода с кислотами в химическом стакане с такими же реакциями в цеолитах. Результат: в кристаллических полостях, где реагирующие молекулы, например спирты, встречаются с ионами гидроксония кислот, реакции протекают в 100 раз быстрее и при температурах чуть выше 100 ° C.«Наши эксперименты показывают, что цеолиты как катализаторы так же эффективны, как и ферменты: оба значительно снижают уровни энергии, необходимые для реакций», — сообщает Леркер. «Чем меньше полость, тем больше каталитический эффект. Мы достигли лучших результатов при диаметрах намного меньше одного нанометра».
Гекконы, воск и цеолитыНо почему тесное пространство способствует реакционной способности молекул? «Сила, улучшающая путь реакции, такая же, как сила, которая заставляет воск прилипать к поверхности стола и позволяет гекконам ходить по потолку», — отвечает Леркер. «Чем больше точек контакта между двумя поверхностями, тем больше адгезия. В наших экспериментах органические молекулы, находящиеся в водном растворе, буквально притягиваются к порам цеолитов».
Таким образом, ионы гидроксония внутри полостей имеют значительно большую вероятность столкнуться с партнером по реакции, чем ионы снаружи. В результате химическая реакция, катализируемая кислотой, протекает быстрее и с меньшими затратами энергии.
От мусора к топливуКогда они вступают в контакт с ионами гидроксония, органические молекулы, такие как спирты, теряют кислород.
Это делает процесс пригодным для преобразования биомасла, полученного из органических отходов, в топливо.Конечно, потребуется некоторое время, прежде чем новый процесс можно будет внедрить в полевых условиях. «Мы все еще работаем над основными принципами», — подчеркивает Леркер. «Мы надеемся использовать их для создания условий, необходимых для новых децентрализованных процессов химического производства, которые больше не требуют крупномасштабного производства».