长期以来，浓烟滚滚的烟囱和排放有毒废水的管道给化工行业蒙上了阴影。现代制造实践已经在很大程度上减轻了该行业对环境的影响，但仍有改进的空间。

使化学更加环保是加州理工学院化学工程和化学教授、威廉·h·赫特学者卡希什·曼西拉姆(Karthish Manthiram)的热情所在，也是他的主要研究重点。

在发表在《科学》杂志上的一篇论文中，Manthiram的实验室描述了一种催化剂的发展，这种催化剂可以生产一种广泛使用的化学原料，而不需要生产通常所需的有毒和危险化学品。

这种化学原料，环氧丙烷，是一种有机化合物，用于各种应用，包括制造泡沫，塑料和防冻剂，以及消毒和灭菌。传统上，环氧丙烷是由丙烯与次氯酸或过氧化氢反应产生的。每种方法都有其缺点。

“使用次氯酸，你最终会得到氯化物的副产品，并排放到环境中。出于这个原因，允许使用次氯酸工艺的工厂获得的许可证越来越少，”Manthiram说。“这迫使人们转向以过氧化物为基础的工艺，但你面临着巨大的安全挑战。任何时候过氧化氢与有机化合物接触，都有潜在的爆炸危险。”

该组织的目标是开发一种安全的环氧丙烷生产方法，既不会产生环境排放，也不会产生大量的碳足迹。Manthiram说，研究小组开始寻找一种催化剂，能够利用水分子中的氧原子产生环氧丙烷。唯一的副产品是氢气，它可以用作燃料或制造其他化学品。

“整个前提是水是安全的，”他说。“它不存在内在的安全隐患，也不会产生对环境有害的副作用。相反，你在制造氢，这是我们未来需要制造更多的东西。这就是我们开始的地方。”

该小组将研究范围缩小到两种催化剂:氧化铂和氧化钯。两者都执行了团队想要的反应，但还不够好，无法发挥作用。氧化铂生产环氧丙烷的速率很高，但很混乱，产生了许多不需要的副产品。相比之下，氧化钯产生的环氧丙烷的副作用较少，但速度很慢。

Manthiram说，解决方案是将这两种催化剂结合起来。

“将两者结合在一起实际上最终解决了问题，”主要作者、前佐治亚理工学院博士后、现供职于麻省理工学院的钟民柱(Minju Chung)说。“然后我们花了很多时间来理解为什么这种混合物效果更好。这不是一个直截了当的解释。”

利用x射线吸收光谱(一种可以通过x射线轰击揭示材料原子和电子结构的技术)，研究人员确定，在氧化铂和氧化钯的混合物中，铂的存在状态使其成为更有效的催化剂。

“事实证明，从铂氧化物到钯铂氧化物的最显著影响之一是，你可以将铂稳定在更高的氧化状态，”Manthiram说。“当处于较高的氧化状态时，附着在铂上的氧会被更多地剥夺电子，使其与富含电子的丙烯更容易反应。我们通过一系列实验发现，将铂稳定在较高的氧化态可以显著提高丙烯环氧化的速率和效率。”

Manthiram说，使用这种新催化剂，环氧丙烷的生产速度是以前的10倍，效率提高了13%。

Manthiram说，未来的研究将集中在测试催化剂上，看看它如何从实验室装置应用到工业环境中。这将需要分析催化剂在降解前的持续时间，以及在更大规模上的表现，以及开发一种在生产过程中从系统中去除环氧丙烷的工艺。

他说:“是时候把这些材料从基础科学背景中毕业了。”“这对我们来说真的很有启发，因为它会告诉我们下一步我们应该做什么。”

描述这项工作的论文“通过水活化Pd-Pt电催化剂直接环氧化丙烯”发表在1月4日的《科学》杂志上。

更多信息:Minju Chung等人，通过水活化Pd-Pt电催化剂直接环氧化丙烯，Science(2024)。DOI: 10.1126 / science.adh4355

加州理工学院提供

引文:研究小组将两种催化剂结合在一起，使普通化学品生产更安全，更环保(2024年1月5日)，2024年1月6日检索自https://phys.org/news/2024-01-team-combines-catalysts-common-chemical.html

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