W nowym badaniu wprowadzono przyjazną dla środowiska metodę wykorzystującą elektrolizer AEM do uwodornienia cyklicznych amin, zmniejszając emisję dwutlenku węgla przez przemysł chemiczny. W procesie tym paliwa kopalne zastępuje się wodą i energią odnawialną, zachowując przy tym wysoką wydajność.
Aby zmniejszyć wpływ przemysłu chemicznego na środowisko, kluczowe znaczenie ma opracowanie bardziej ekologicznych metod produkcji chemicznych elementów składowych szeroko stosowanych związków.
Nie jest tajemnicą, że procesy produkcyjne mają jedne z najbardziej wpływowych i intensywnych skutków na środowisko, a przemysł chemiczny zajmuje pierwsze miejsca na listach zarówno pod względem zużycia energii, jak i emisji. Chociaż ma to sens ze względu na ogromną skalę, z jaką produkowane chemikalia są zaangażowane w codzienne życie, nadal pozostawia wiele do życzenia ze względu na zrównoważony rozwój. Koncentrując się na odnawialnych źródłach energii i alternatywnych metodach tworzenia chemicznych elementów składowych niektórych z najczęściej stosowanych związków, badacze mają nadzieję zmniejszyć wpływ przemysłu chemicznego za pomocą ekologicznych innowacji.
Naukowcy opublikowali swoje wyniki w czasopiśmie „ Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego 7 października.
Głównym tematem tego badania są aminy cykliczne, ponieważ są to najważniejsze elementy składowe wysokowartościowych chemikaliów. Związki te są ułożone w pierścień i w tym przypadku zawierają azot atom. Jedną z gwiazd widowiska jest pirydyna, która ustępuje miejsca piperydynie, aminie cyklicznej o kluczowym znaczeniu w przemyśle chemicznym. Na przykład piperydyna stanowi podstawę dla wielu materiałów, takich jak leki zatwierdzone przez FDA, pestycydy i materiały codziennego użytku stosowane w życiu wielu ludzi.
Tradycyjne metody i ich ograniczenia
Typowe metody dodawania wodoru do cyklicznej aminy zawierającej azot obejmują wykorzystanie gazowego wodoru jako źródła protonów i elektronów. Proces uwodornienia opiera się na wodorze otrzymywanym w wyniku reformingu parowego metanu, głównego gazu cieplarnianego. Metoda ta jest nie tylko energochłonna, ale także odpowiada za około 3% światowych emisji dwutlenku węgla. Proces ten jest również w dużym stopniu zależny od paliw kopalnych i wymaga dużej ilości energii. Na szczęście badacze znaleźli sposób na obejście tego problemu, opracowując elektrolizer z membraną anionowymienną (AEM).
Elektrolizer AEM pozwala na uwodornienie różnych rodzajów pirydyn w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, bez konieczności stosowania dodatków kwasowych, jak w tradycyjnych metodach. Elektrolizer rozkłada wodę na składniki, wodór atomowy i tlen. Otrzymany wodór atomowy dodaje się następnie do związku cyklicznego. Elektrolizer AEM wykazuje również dużą wszechstronność w przypadku innych związków aromatycznych zawierających azot, co czyni go obiecującą ścieżką do szerokiego zakresu zastosowań. Dodatkowo, dzięki opracowaniu metody, którą można stosować w temperaturze i ciśnieniu otoczenia, zużycie energii elektrycznej potrzebnej do procesu radykalnie się obniżyło.
„Ta metoda oferuje znaczny potencjał zastosowań na skalę przemysłową w farmaceutykach i wysokowartościowych chemikaliach, przyczyniając się do redukcji emisji dwutlenku węgla i rozwoju zrównoważonej chemii” – powiedział Naoki Shida, pierwszy autor badania i badacz na Uniwersytecie Narodowym w Jokohamie.
Zalety metody elektrolizera AEM
W procesie tym jako źródło energii wykorzystuje się wodę i odnawialną energię elektryczną, co kontrastuje z wykorzystaniem paliw kopalnych w przypadku metody konwencjonalnej. Wydajność tej metody nie uległa pogorszeniu, a procentowa wydajność na dużą skalę wynosi 78%, co dodatkowo potwierdza, że technologia ta może być w miarę skalowalna. Jednym z problemów, jaki można napotkać, jest wzrost napięcia ogniwa podczas procesu elektrolizy, ale można go złagodzić albo poprzez ulepszenie AEM, albo, najlepiej, zaprojektowanie AEM specjalnie z myślą o elektrosyntezie organicznej.
Aby technologia uwodornienia elektrokatalitycznego przyjęła się i przyniosła korzyści, musi być skalowalna do skali przemysłowej, aby mogły z niej korzystać firmy farmaceutyczne i chemikalia wysokowartościowe. Im częściej stosuje się tę technologię, tym łatwiej jest ją zastosować w przypadku innych związków aromatycznych zawierających azot, co dodatkowo wyraża praktyczność procesu uwodornienia elektrokatalitycznego. W idealnym przypadku metoda ta stałaby się alternatywą dla tradycyjnych metod stosowanych w przemyśle chemicznym, a w przyszłości zmniejszyłaby ogólny ślad węglowy pozostawiany przez produkcję chemikaliów.
Odniesienie: „Elektrokatalityczne uwodornienie pirydyn i innych związków aromatycznych zawierających azot” autorstwa Naoki Shida, Yugo Shimizu, Akizumi Yonezawa, Juri Harada, Yuka Furutani, Yusuke Muto, Ryo Kurihara, Junko N. Kondo, Eisuke Sato, Koichi Mitsudo, Seiji Suga , Shoji Iguchi, Kazuhide Kamiya i Mahito Atobe, 7 października 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c09107
Badanie zostało sfinansowane przez Japońską Agencję Nauki i Technologii oraz Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki.
