氧化还原、再利用、再循环：延长有价值催化剂的使用寿命

伊利诺伊大学香槟分校贝克曼先进科学与技术研究所的研究人员为化学制造商介绍了一种更环保的选择。他们的电化学方法为回收均相催化剂提供了一种解决方案。均相催化剂通常由稀有的铂族金属制成。

　　

   

   

图片:萧苏(右)，伊利诺斯大学香槟分校贝克曼先进科学与技术研究所化学与生物分子工程助理教授，是开发回收高价值均相催化剂的电化学技术团队的一员。该研究由研究生Stephen Cotty(中)和Jemin Jeon(左)领导，将有助于使化工制造业更绿色、更经济、更创新。    

图片来源:贝克曼先进科学技术研究所

想象一个典型的回收工厂。现在把这个工厂想象成一个化学实验室，粉碎的汽水罐和齐腰高的垃圾邮件被每克价值数万美元的微观结构所取代。

来自伊利诺伊大学香槟分校的一组研究人员开发了一种回收高价值均相催化剂的电化学技术，以努力使化学制造业更环保、更经济、更创新。

均相催化剂是化工和制药生产中大量使用的有力工具。

贝克曼先进科学技术研究所的研究员、该项研究的高级研究员、化学和生物分子工程助理教授肖苏说:“使(均相催化剂)非常有价值的是它们生产大量增值化学品和商品的独特能力。”

回收均相催化剂而不破坏其化学活性的能力几十年来一直是化学家和化学工程师的挑战。

这些催化剂通常由铂族金属制成，要从头开始持续使用，就需要频繁采矿。Su说，因为这种铂族金属很稀少，它们的使用应该被保留。

在化学反应过程中，均相催化剂通常会形成复杂的化学混合物，很难从其他组分中分离出来。现有的几种回收催化剂的方法都是能源密集型的，而且它们对热量的依赖往往会破坏催化剂结构本身，同时产生大量的碳足迹。

“目前，由于成本和过程的复杂性，许多行业根本不回收均相催化剂;他们只是把它们扔掉，自己承担损失。”“如果催化剂被回收，这个过程可能非常昂贵和低效，而且催化剂结构经常被破坏。总的来说，负担落在了采矿方面，因为对铂金属的需求持续增加。”

由于废物产量的增加，持续开采的成本被制造公司、最终用户和环境所吸收。

研究人员提出的回收方法发表在《科学进展》(Science Advances)上，该方法将电场应用到一个独特的定制表面，称为氧化还原电极。催化剂从它们所在的化学混合物中分离出来，在电场作用下与表面结合，将它们从反应中移除，使它们得以回收。为了重复使用催化剂，化学家可以对氧化还原电极表面施加相反的电场，将催化剂释放到新的溶液中。

在电催化过程中，催化剂可以重复使用多次。

“我们的回收方法最酷的地方在于，我们是纯电力驱动的，”苏说。“这是让整个制造过程更加可持续的一步，让电力取代热能驱动东西。”

从以化石燃料为基础的能源输入到运行这种循环系统的可再生能源输入的转变，支持了化学工程师对电气化的愿景。

Su说:“我们很高兴看到这些电化学应用能够解决化学制造中的挑战。”“最终，我们希望看到一个完全零浪费、高能量高效的化学制造过程。”

回收催化剂的能力不仅有利于环境;它创新能力。尽管存在几种均相催化剂，但它们目前无法有效回收，这使得它们非常昂贵，限制了它们的广泛工业应用。

苏说:“我们现在所做的是使这些非常强大的催化剂可行且便宜地用于重要的反应。”“如果我们能够实现这种回收催化剂的简单方法，我们的技术可以实现新的反应，否则成本太高。所以，希望我们能够开辟新的、更环保的生产方式，这在今天甚至是不可能的。”

到目前为止，来自该大学的研究人员已经在选定的铂族金属催化剂上演示了他们的回收过程。下一步是将该方法应用于更广泛的铂族金属，以及其他过渡族金属催化剂。

“作为化学工程师，我们正在继续推动能源效率、更低的碳足迹和可持续的化学过程，而这是朝着这个目标迈出的一步，”苏说。

Su小组的研究生Stephen Cotty和Jemin Jeon是这篇论文的主要作者。Su小组的Johannes Elbert以及Vijay Jeyaraj和Alex Mironenko都是这项工作的主要贡献者，他们都来自伊利诺伊大学香槟分校的化学和生物分子工程系。