Etwa 10–15 % der weltweiten Treibhausgasemissionen stammen aus der Chemieproduktion. Darüber hinaus verbrauchen Chemiefabriken mehr als 10 % des weltweiten Energieverbrauchs. Die chemische Industrie stehe vor „beispiellosen Möglichkeiten“, die chemischen Prozesse der Zukunft zu verändern. Flüssigmetall könnte die lang erwartete Lösung zur „Ökologisierung“ der chemischen Industrie sein. Forscher haben eine neue Technologie getestet, von der sie hoffen, dass sie die energieintensiven chemischen Verfahrensprozesse des frühen 20. Jahrhunderts ersetzen könnte.
Die kürzlich in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlichten Ergebnisse stellen einen dringend benötigten innovativen Ansatz dar, der von altmodischen, energieintensiven Katalysatoren aus festen Materialien abweicht. Die Forschung wurde von Professor Kourosh Kalantar-Zadeh, Dekan der School of Chemical and Biomolecular Engineering an der University of Sydney, und Dr. Junma Tang, die gemeinsam an der University of Sydney und der University of New South Wales arbeitet, geleitet.
Ein Katalysator ist eine Substanz, die eine chemische Reaktion schneller und einfacher ablaufen lässt, ohne an der Reaktion teilzunehmen. Feste Katalysatoren sind in der Regel feste Metalle oder feste Metallverbindungen und werden in der chemischen Industrie häufig zur Herstellung von Kunststoffen, Düngemitteln, Kraftstoffen und Rohstoffen verwendet.
Allerdings erfordert die Herstellung von Chemikalien mittels Feststoffprozessen viel Energie und Temperaturen von bis zu tausend Grad Celsius. Das neue Verfahren verwendet flüssiges Metall, in diesem Fall gelöstes Zinn und Nickel, und verleiht ihnen eine einzigartige Mobilität, die es ihnen ermöglicht, zur Oberfläche des flüssigen Metalls zu wandern und mit Eingangsmolekülen wie Rapsöl zu reagieren. Auf diese Weise werden Rapsölmoleküle gesponnen, gebrochen und wieder zu kleineren organischen Ketten zusammengesetzt, darunter Propylen, ein energiereicher Kraftstoff, der für viele Industrien lebenswichtig ist.
„Unsere Methode bietet beispiellose Möglichkeiten zur Reduzierung des Energieverbrauchs und zur Ökologisierung chemischer Reaktionen in der chemischen Industrie, die bis 2050 voraussichtlich mehr als 20 % der Emissionen ausmachen wird“, sagte Professor Kalantar-Zadeh. „Aber die chemische Fertigung ist viel weniger sichtbar als andere Branchen – ein Paradigmenwechsel ist entscheidend.“
Im Vergleich zu Festkörpern sind die Atome in flüssigen Metallen zufälliger angeordnet und haben eine größere Bewegungsfreiheit. Dadurch können sie leicht mit chemischen Reaktionen in Kontakt kommen und daran teilnehmen. Theoretisch können sie chemische Reaktionen bei niedrigeren Temperaturen katalysieren, was bedeutet, dass sie viel weniger Energie benötigen.
In der Studie lösten die Autoren hochschmelzendes Nickel und Zinn in einem flüssigen Metall auf Galliumbasis mit einem Schmelzpunkt von nur 30 Grad Celsius.
„Durch das Auflösen von Nickel in flüssigem Gallium können wir flüssiges Nickel bei sehr niedrigen Temperaturen erhalten – es fungiert als „Super“-Katalysator. Im Vergleich dazu hat festes Nickel einen Schmelzpunkt von 1.455 Grad Celsius. Metallisches Zinn in flüssigem Gallium hat die gleiche Wirkung, jedoch in geringerem Ausmaß“, sagte Dr. Tang.
Diese Metalle sind in flüssigen Metalllösungsmitteln atomar dispergiert. Daher können wir Einzelatomkatalysatoren verwenden. „Einzelne Atome stellen die größte für die Katalyse verfügbare Oberfläche dar, was erhebliche Vorteile für die chemische Industrie bietet“, sagte Dr. Arifur Rahim, leitender Autor und DECRA-Forscher an der School of Chemical and Biomolecular Engineering.
Die Forscher sagen, dass ihre Formel auch in anderen chemischen Reaktionen verwendet werden könnte, indem ein Niedertemperaturprozess zum Mischen der Metalle eingesetzt wird. Zur Katalyse sind so niedrige Temperaturen erforderlich, dass wir es theoretisch sogar auf einem Gasherd in der Küche machen könnten – aber bitte versuchen Sie es nicht zu Hause.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily