Science：研究人员发现了一种可能更清洁的方法来制造一种重要的化学物质

环氧乙烷是一种“平台化学品”，每年在全球拥有400亿美元的市场，用于生产塑料、纺织品和许多其他常见产品。塔夫茨大学（Tufts University）的化学家们发现了一种廉价的方法，既可以减少二氧化碳的排放，又可以减少生产这种化学物质所需的氯。

　　

乙烯氧化物是一种重要的“平台化学品”，是许多其他化学品的基础，全球每年的市场规模达到400亿美元。尽管很少有人听说过乙烯氧化物，但我们日常使用的许多产品，从防冻剂和塑料到纺织品和消毒剂，都依赖于它进行生产。然而，乙烯氧化物的生产过程每年会向大气中排放数亿吨二氧化碳，加剧了气候变化。此外，这一过程目前还需要使用有毒的氯。现在，由塔夫茨大学化学教授查尔斯·赛克斯（Charles Sykes）领导的研究团队发现了一种廉价的方法，有望减少二氧化碳排放并减少生产该化学品所需的氯。

研究人员在《科学》杂志上发表文章，描述了将少量镍原子添加到银催化剂中，可以使反应同样高效，但无需使用目前所需的氯。这可能会彻底改变无处不在的乙烯氧化物的生产方式。

赛克斯是约翰·韦德化学教授，他与杜兰大学化学工程教授马修·蒙特莫尔（Matthew Montemore）六年前首次讨论了这个想法。他们对探索选择性氧化反应感兴趣，并选择了乙烯氧化物生产作为研究对象，该过程由乙烯和分子氧制成。

催化剂能够打破强氧分子键，使单个氧原子与乙烯结合形成乙烯氧化物。（催化剂是一种能够加速化学反应速率而自身不发生化学变化的物质。）银是生产乙烯氧化物的主要催化剂，但它每生产一个乙烯氧化物分子就会产生两个二氧化碳分子；加入氯后，二氧化碳的产生量可减少到每两个乙烯氧化物分子产生一个二氧化碳分子，但仍有改进空间。

鉴于目前依赖氯的工业生产方法对安全和环境的影响，赛克斯和蒙特莫尔寻找可以添加到银催化剂中的元素以替代氯。“答案是镍，”赛克斯说，“这让我们感到惊讶，因为在科学或专利文献中找不到关于镍的任何信息，尽管镍是一种常见且廉价的元素，被用于许多其他催化过程。难道70多年的工业研发都忽略了它吗？”

在塔夫茨大学的实验室中，赛克斯与研究生伊丽莎白·哈佩尔（Elizabeth Happel）和劳拉·克拉默（Laura Cramer）一起进行了基础实验，以“测试马修·蒙特莫尔的预测，并看看它能走多远，以便应用于实际”，他说。结果令人鼓舞。

他们采用了赛克斯十年前率先提出的单原子合金概念——这是一种理解并控制化学反应的基本方法。通过以单个原子的形式将镍添加到银中，他们能够仔细测试它作为催化剂的效果。“这是基础研究，但我们的结果表明，它可能适用于实际的工业催化剂，”赛克斯说。

他邀请加州大学圣塔芭芭拉分校的化学工程教授菲利普·克里斯托弗（Phillip Christopher）通过添加少量镍来制造银催化剂的新配方，看看它会如何工作。“选择性氧化反应是更具挑战性的反应之一，所以如果它不起作用，我不会感到惊讶，”赛克斯说。但它确实起作用了。

“通过可重复的协议将镍原子纳入银催化剂是一个真正的技术障碍，加州大学圣塔芭芭拉分校的博士生阿尼卡·贾利尔（Anika Jalil）出色地解决了这一难题。加入镍的挑战可能是我们观察到的效果从未被先前报道的原因，”克里斯托弗说。

由于加入镍的催化剂提高了过程的效率，现在有可能降低在生产乙烯氧化物释放过程中的二氧化碳量。“我从博士阶段就开始研究乙烯氧化物催化剂，对镍添加产生的巨大效果感到非常惊讶和兴奋，”克里斯托弗说。

该团队在2022年提交了临时专利，并在2023年提交了国际专利。他们还与一家主要的乙烯氧化物商业生产商保持定期联系，以了解他们的发现是否可以在现有的制造设施中实施。