V reakcijah hidrogeniranja v kemični industriji vodikovo krekiranje običajno zahteva visoke temperature in pritiske, kar porabi veliko energije in poveča varnostna tveganja. Dolgo časa je bil doseganje učinkovitega vodikovega krekinga pri normalnih temperaturnih pogojih pomemben cilj, ki so ga raziskovali znanstveniki.
Po najnovejših novicah Kitajske akademije znanosti so kitajski znanstveniki kot prvi na svetu dosegli cilj učinkovite disociacije vodikovega plina pri sobni temperaturi, kar bo znatno zmanjšalo porabo energije v tradicionalnih postopkih hidrogeniranja, zmanjšalo emisije ogljikovega dioksida in pomagalo pri optimizirani uporabi virov ogljika v kemični industriji.
Ta prelomni nov napredek na področju fotokatalitskega cepljenja vodika je dosegla ekipa, ki jo je vodil raziskovalec Wang Feng z Dalianskega inštituta za kemijsko fiziko Kitajske akademije znanosti v sodelovanju s profesorjem Paolom Fornasierom z Univerze v Trstu, Italija, med drugim. Sorodni raziskovalni članek je bil objavljen na spletu v mednarodno priznani akademski reviji 'Science' v zgodnjih urah 5. septembra po pekinškem času.
Raziskovalec Wang Feng, avtor dopisovanja prispevka, je predstavil, da so reakcije hidrogeniranja ena od pomembnih reakcij v kemični industriji, ki vključuje vsaj eno stopnjo hidrogeniranja v približno četrtini procesov kemičnih reakcij. Eden od ključnih korakov reakcij hidrogeniranja je aktivacija vodika, ki vključuje tako homolitične kot heterolitske mehanizme. Med njimi heterolitična cepitev vodika proizvaja polarne vrste vodika, za katere je značilna visoka reaktivnost in selektivno hidrogeniranje polarnih funkcionalnih skupin, s čimer se poveča stopnja nastajanja številnih pomembnih kemičnih produktov in zmanjša stranske reakcije.
V tej študiji je raziskovalna skupina prebila predhodno razvito metodo fotokatalitske pretvorbe, ki "neodvisno" inducira polovične-reakcije fotovzbujenih elektronov in lukenj, pri čemer je predlagala uporabo fotovzbujenih elektronov in lukenj za izgradnjo prostorsko sosednjih centrov pozitivnega in negativnega naboja, s čimer se doseže heteroliza vodika v okoljskih pogojih.
Raziskovalna skupina je kot model katalizatorja uporabila zlato/titanov dioksid. Z vzbujanjem titanovega dioksida z ultravijolično svetlobo se lahko ustvarjeni elektroni prenesejo na nanodelce zlata in se ujamejo. Medtem so na meji med nanodelci zlata in titanovim dioksidom okvarjena stanja, sestavljena iz zlata-kisika-titana, kjer se lahko ujamejo fotogenerirane luknje. Na tej točki se luknje in elektroni nahajajo na vmesniku zlata-kisika-titana oziroma zlatih nanodelcev in tvorijo prostorsko sosednje vezane pare elektronov-lukenj. Ko torej mehanizem parov vezanih elektronov-lukenj prevladuje fotodisociacijo vodika, aktivnost zlata/titanovega dioksida pri kataliziranju fotodisociacije vodika linearno narašča z večjo jakostjo svetlobe.
Nato je raziskovalna skupina nadalje preverila prednosti tega hidrogeniranja-povzročenega s svetlobo z reakcijo redukcije inertnega ogljikovega dioksida in odkrila, da lahko ustvarjene vrste vodika popolnoma pretvorijo inertni ogljikov dioksid pri sobni temperaturi, pri čemer je edini produkt etan. Nato lahko z napravo, ki pretvori etan v etilen, ogljikov dioksid kvantitativno reduciramo v etilen, katalizator pa lahko stabilno deluje več kot 1500 ur brez deaktivacije.
Raziskovalna skupina je poudarila, da je najnovejši razvoj fotokatalitske metode za cepitev vodika mogoče razširiti na fotokatalizatorje zlato/dušik dopirane okside, zlato/cerijev oksid in zlato/bizmut vanadat fotokatalizatorje, prav tako pa lahko uporabi sončno svetlobo za dosego hidrogenacije ogljikovega dioksida v etan s selektivnostjo 90%.
Wang Feng je izjavil, da bo z učinkovitim vodikovim ne{0}}termičnim krekingom pri sobni temperaturi, z uporabo vodika in ogljikovega dioksida kot surovin za proizvodnjo izdelkov z visoko-dodano vrednostjo-, kot sta etan in etilen, doseženo znatno zmanjšanje porabe energije in emisij, kar bo pripomoglo k optimizirani uporabi virov ogljika v kemični industriji.
Razkril je, da bo raziskovalna skupina v prihodnosti izvajala-poglobljene študije o reakcijskih procesih, v upanju, da bo razvila industrijsko tehnološko pot, ki na tej podlagi združuje svetlobo in fototermalno energijo, kar bo zagotovilo nov model za nadgradnjo in preoblikovanje sodobnih kemičnih industrij premoga.
Vir: China News Service