Исследователи разработали новую технологию, позволяющую использовать энергию света для проведения ключевой химической реакции, лежащей в основе производства пластмасс, текстиля, фармацевтических и химических продуктов. По мнению авторов работы, такой подход способен значительно снизить углеродный след химической промышленности.
Исследование выполнено учёными из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн совместно с коллегами из Университета Сан-Паулу и Северо-Западного университета. Результаты опубликованы в журнале Journal of the American Chemical Society.
Речь идёт о процессе эпоксидирования олефинов — химической реакции, в результате которой образуются эпоксиды. Эти соединения широко применяются при производстве полимеров, текстильных материалов, фармацевтических веществ и множества других продуктов.
Сегодня промышленность проводит эту реакцию с использованием сильных пероксидных окислителей. Такие вещества трудно утилизировать, а сам процесс требует значительных энергетических затрат и сопровождается выбросами углекислого газа.
В качестве альтернативы ученые предложили использовать воду в роли окислителя. Однако разрыв прочных связей между атомами водорода и кислорода в молекуле воды требует высоких температур, что делает процесс энергоёмким.
Команда исследователей под руководством профессора химии Prashant Jain разработала метод, позволяющий использовать энергию света для активации реакции.
В основе технологии лежит направление так называемой плазмонной химии, где свет взаимодействует с металлическими наночастицами, создавая локальные электрические поля и активные носители заряда.
В экспериментальной установке ученые использовали наночастицы золота и нанопроволоки оксида марганца, которые выполняют роль светопоглощающих «антенн». Под воздействием видимого света — в лаборатории использовался лазер с длиной волны 532 нм — эти структуры усиливают электромагнитное поле и помогают разрывать химические связи в молекуле воды.
В результате кислород из воды может присоединяться к органическим молекулам, образуя эпоксиды без применения агрессивных химических реагентов.
Новый метод сочетает электрохимические реакции и энергию света, что позволяет существенно снизить потребление энергии и количество побочных продуктов.
По словам авторов технологии, использование солнечной энергии для подобных процессов может значительно уменьшить углеродный след химической промышленности.
Кроме того, технология позволяет избежать образования опасных отходов, характерных для традиционных методов эпоксидирования.
Пока технология продемонстрирована лишь в лабораторных условиях. В дальнейшем исследователи планируют заменить лазерные источники света на более масштабируемые и энергоэффективные системы освещения, а также разработать крупные реакторы, в которых свет сможет эффективно взаимодействовать с катализаторами.
Если технологию удастся масштабировать, она может стать одним из перспективных направлений декарбонизации химической промышленности.