Neuartiges Verfahren verlängert den Lebenszyklus wertvoller Katalysatoren

Stellen Sie sich eine typische Recyclinganlage vor. Stellen Sie sich diese Einrichtung nun als ein chemisches Labor vor, in dem zerdrückte Getränkedosen und hüfthohe Stapel Junk-Mail durch mikroskopisch kleine Strukturen ersetzt werden, die Zehntausende von Dollar pro Gramm kosten.

Ein Forscherteam der Universität von Illinois in Urbana-Champaign hat ein elektrochemisches Verfahren entwickelt, um einen äußerst wertvollen Katalysatortyp zu recyceln, um die chemische Industrie umweltfreundlicher, billiger und innovativer zu machen.

Katalysatoren sind leistungsstarke Werkzeuge, die in der chemischen und pharmazeutischen Industrie weit verbreitet sind.

“Was [homogene Katalysatoren] Was sie so wertvoll macht, ist ihre einzigartige Fähigkeit, große Mengen an wertschöpfenden Chemikalien und Rohstoffen herzustellen“, sagte Xiao Su, Assistenzprofessorin für chemische und biomolekulare Verfahrenstechnik am Beckman Institute of Science and Technology und Prüfleiterin der Studie.

Die Fähigkeit, einen einzelnen Katalysatortyp zu recyceln, ohne seine chemische Aktivität zu zerstören, ist seit Jahrzehnten eine Herausforderung für Chemiker und Chemieingenieure.

Diese Katalysatoren bestehen normalerweise aus Metallen der Platingruppe und müssen daher für die weitere Verwendung zerlegt werden. Da diese Metalle der Platingruppe selten sind, sollte ihre Verwendung wirtschaftlich sein, sagte Su.

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Homogene Katalysatoren sind bei chemischen Reaktionen oft in komplexe chemische Gemische eingebunden und lassen sich nur schwer von anderen Komponenten trennen. Nur wenige Katalysator-Recyclingverfahren sind energieintensiv und auf Wärme angewiesen, die die Katalysatorstruktur selbst zerstört und einen großen CO2-Fußabdruck hinterlässt.

„Derzeit recyceln viele Industrien wegen der Kosten und der Komplexität des Prozesses überhaupt keinen Katalysatortyp; sie werfen ihn einfach weg und leben von den Kosten“, sagte Su. “Wenn der Katalysator recycelt wird, ist der Prozess sehr teuer und ineffizient, und die Katalysatorstruktur wird oft zerstört. Im Allgemeinen besteht eine konstante Nachfrage nach diesen Metallen der Platingruppe, was den Bergbau belastet.”

Die Kosten des kontinuierlichen Bergbaus gehen zu Lasten der Produzenten, Endverbraucher und der Umwelt, da mehr Abfall produziert wird.

Die von den Forschern vorgeschlagene Recyclingmethode, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, beinhaltet das Anlegen eines elektrischen Felds an eine speziell konfigurierte Oberfläche, die als Redoxelektrode bezeichnet wird. Katalysatoren lösen sich von ihren chemischen Verunreinigungen und haften unter einem elektrischen Feld an Oberflächen, wodurch sie sich auflösen und aus den darin enthaltenen Reaktionen recyceln können. Um den Katalysator wiederzuverwenden, kann der Chemiker ein entgegengesetztes elektrisches Feld an die Oberfläche der Redox-Elektrode anlegen, wodurch der Katalysator in eine neue Lösung freigesetzt wird.

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Bei der Elektroverarbeitung kann der Katalysator für mehrere Zyklen wiederverwendet werden.

„Das Tolle an unserer Recyclingmethode ist, dass es sich um reine Elektrizität handelt“, sagte Su. „Dies ist ein Schritt hin zu nachhaltigeren Herstellungsprozessen, die Strom statt Wärme verwenden, um Dinge anzutreiben.

Der Übergang von fossilen Brennstoffen zu erneuerbaren Energien in solchen Recyclingsystemen unterstützt die Elektrifizierungsvision von Chemieingenieuren.

“Wir freuen uns, dass diese Anwendungen der Elektrochemie ein herausforderndes Problem in der chemischen Industrie lösen”, sagte Su. „Letztendlich wollen wir einen komplett abfallfreien und energieeffizienten chemischen Herstellungsprozess.

Die Möglichkeit, Katalysatoren zu recyceln, kommt nicht nur der Umwelt zugute, sondern fördert auch Innovationen. Obwohl mehrere homogene Katalysatoren verfügbar sind, macht ihre Unfähigkeit, sie effektiv zu recyceln, sie derzeit sehr teuer, was ihre weitverbreitete industrielle Verwendung einschränkt.

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„Was wir jetzt tun, ist, sehr starke Katalysatoren für diese wichtigen Reaktionen praktikabel und erschwinglich zu machen“, sagte Su. „Wenn wir diese einfache Methode zur Rückgewinnung von Katalysatoren verwenden können, kann unsere Technologie neue Reaktionen ermöglichen, die unerschwinglich teuer sind. Wir hoffen, neue, umweltfreundliche Wege zu entdecken, um Dinge zu tun, die heute unmöglich sind.“

Bisher haben Forscher der Universität ihr Recyclingverfahren an ausgewählten Metallkatalysatoren der Platingruppe demonstriert. Der nächste Schritt besteht darin, diese Methode auf eine breitere Klasse von Metallen der Platingruppe sowie auf andere Katalysatoren der Übergangsgruppe anzuwenden.

„Als Chemieingenieure streben wir weiterhin nach Energieeffizienz, der Reduzierung unseres CO2-Fußabdrucks und der nachhaltigen Gestaltung chemischer Prozesse, und dies ist ein Schritt in Richtung unserer Ziele“, sagte Su.

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