Vloeibare metalen schudden eeuwenoude chemische technologieprocessen op hun kop

Vloeibare metalen zouden de langverwachte oplossing kunnen zijn om de chemische industrie te ‘vergroenen’, volgens onderzoekers die een nieuwe techniek hebben getest waarvan ze hopen dat deze energie-intensieve chemische engineeringprocessen uit het begin van de 20e eeuw kan vervangen.

De chemische productie is verantwoordelijk voor ongeveer 10-15% van de totale uitstoot van broeikasgassen. Meer dan 10% van de totale energie in de wereld wordt ook gebruikt in chemische fabrieken.

Bevindingen gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie bieden een broodnodige innovatie die afstapt van oude, energie-intensieve katalysatoren gemaakt van vaste materialen. Het onderzoek wordt geleid door professor Kourosh Kalantar-Zadeh, hoofd van de School of Chemical and Biomolecular Engineering van de Universiteit van Sydney, en Dr. Junma Tang, die gezamenlijk werkt aan de Universiteit van Sydney en UNSW.

Een katalysator is een stof die ervoor zorgt dat chemische reacties sneller en gemakkelijker plaatsvinden zonder deel te nemen aan de reactie. Vaste katalysatoren, meestal vaste metalen of vaste metaalverbindingen, worden vaak gebruikt in de chemische industrie om kunststoffen, meststoffen, brandstoffen en grondstoffen te maken.

De chemische productie met behulp van vaste processen is echter energie-intensief en vereist temperaturen tot wel duizend graden Celsius.

Het nieuwe proces maakt in plaats daarvan gebruik van vloeibare metalen, waarbij in dit geval tin en nikkel worden opgelost, waardoor ze een unieke mobiliteit krijgen, waardoor ze naar het oppervlak van vloeibare metalen kunnen migreren en kunnen reageren met inputmoleculen zoals koolzaadolie. Dit resulteert in de rotatie, fragmentatie en herassemblage van canola-oliemoleculen in kleinere organische ketens, waaronder propyleen, een hoogenergetische brandstof die cruciaal is voor veel industrieën.

“Onze methode biedt de chemische industrie een ongeëvenaarde mogelijkheid om het energieverbruik te verminderen en chemische reacties groener te maken”, aldus professor Kalantar-Zadeh.

“Er wordt verwacht dat de chemische sector in 2050 verantwoordelijk zal zijn voor meer dan 20% van de uitstoot”, zegt professor Kalantar-Zadeh. “Maar de chemische productie is veel minder zichtbaar dan andere sectoren – een paradigmaverschuiving is van cruciaal belang.”

Hoe het proces werkt

Atomen in vloeibare metalen zijn willekeuriger gerangschikt en hebben een grotere bewegingsvrijheid dan vaste stoffen. Hierdoor kunnen ze gemakkelijk in contact komen met en deelnemen aan chemische reacties. “Theoretisch kunnen ze chemicaliën katalyseren bij veel lagere temperaturen, wat betekent dat ze veel minder energie nodig hebben”, zegt professor Kalantar-Zadeh.

In hun onderzoek hebben de auteurs nikkel en tin met een hoog smeltpunt opgelost in een vloeibaar metaal op galliumbasis met een smeltpunt van slechts 30° Celsius.

“Door nikkel op te lossen in vloeibaar gallium, kregen we toegang tot vloeibaar nikkel bij zeer lage temperaturen, dat als een ‘super’-katalysator fungeerde. Ter vergelijking: het smeltpunt van vast nikkel is 1.455 graden Celsius. Hetzelfde effect wordt, in mindere mate, ook ervaren voor tinmetaal in vloeibaar gallium,” zei Dr. Tang.

De metalen werden op atomair niveau gedispergeerd in vloeibare metaaloplosmiddelen. “We hebben dus toegang tot katalysatoren met één atoom. Eén atoom is de hoogste toegankelijkheid van het oppervlak voor katalyse, wat een opmerkelijk voordeel biedt voor de chemische industrie”, zegt Dr. Arifur Rahim, senior auteur en DECRA Fellow aan de School of Chemical and Biomolecular Engineering .

De onderzoekers zeiden dat hun formule ook kan worden gebruikt voor andere chemische reacties door metalen te mengen met behulp van lage temperatuurprocessen.

“Het vereist zo’n lage temperatuur om te katalyseren dat we het theoretisch zelfs in de keuken met de gaskookplaat zouden kunnen doen, maar probeer dat thuis niet”, zei Dr. Tang.