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  • 助理教授karthish manthiram(中心),博士后kyoungsuk斤(右),研究生约瑟夫·马卢夫(左),和他们的同事正在努力帮助下想办法将用电从关键可再生能源的化学反应脱碳化工等行业。

    助理教授karthish manthiram(中心),博士后kyoungsuk斤(右),研究生约瑟夫·马卢夫(左),和他们的同事正在努力帮助下想办法将用电从关键可再生能源的化学反应脱碳化工等行业。

    照片:斯图尔特darsch

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  • 澳门太阳城最新网站的研究人员移液器含有烯烃物料进入一个专门设计的电化学电池的电解质溶液的容器中。电池,电压加一个电里面的烯烃为环氧化物制造消费电子产品广泛应用于转换。

    澳门太阳城最新网站的研究人员移液器含有烯烃物料进入一个专门设计的电化学电池的电解质溶液的容器中。电池,电压加一个电里面的烯烃为环氧化物制造消费电子产品广泛应用于转换。

    照片:斯图尔特darsch

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  • 图1:这些图示出现在用于合成两种广泛使用的环氧化物的方法。顶部:乙烯分子和氧分子结合并经受高的温度和压力。该反应的产物是环氧乙烷,水和CO 2。底部:丙烯进行反应,用叔丁基氢过氧化物生成环氧丙烷加。

    图1:这些图示出现在用于合成两种广泛使用的环氧化物的方法。顶部:乙烯分子和氧分子结合并经受高的温度和压力。该反应的产物是环氧乙烷,水和CO 2。底部:丙烯进行反应,用叔丁基氢过氧化物生成环氧丙烷加。

    研究人员的形象礼貌。

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  • 图2:该图显示的合成方法由澳门太阳城最新网站的研究建议,使用如一个例子环氧乙烷。反应产物是环氧乙烷和氢气。没有极端的条件要求,电力可以使用可再生能源产生,并且只有两个产品是由 - 他们都宝贵。

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  • 图3:这些图显示建议水与乙烯反应之间的热力学分析结果,以形成环氧乙烷。作为左手图所示,无乙烯氧化物形式,即使在高的温度和压力。使用电压,而不是压力相同的分析的右侧图所示的结果。现在开始于环氧乙烷的形成在低电压和室温本质。

    图3:这些图显示建议水与乙烯反应之间的热力学分析结果,以形成环氧乙烷。作为左手图所示,无乙烯氧化物形式,即使在高的温度和压力。使用电压,而不是压力相同的分析的右侧图所示的结果。现在开始于环氧乙烷的形成在低电压和室温本质。

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  • 图4:电化学电池和反应过程的示意图。 ESTA图显示了电化学电池设计的探索研​​究的水成环氧化物和氢气的转化率和烯烃(这里,环辛烯)。是关键的催化剂纳米粒子的转化 - 以黄色显示 - 便于在环境条件下进行反应。

    图4:电化学电池和反应过程的示意图。 ESTA图显示了电化学电池设计的探索研​​究的水成环氧化物和氢气的转化率和烯烃(这里,环辛烯)。是关键的催化剂纳米粒子的转化 - 以黄色显示 - 便于在环境条件下进行反应。

    研究人员的形象礼貌。

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  • 在该装置中,研究人员合成氧化锰纳米颗粒,其催化环氧化物至烯烃的转化及其电化学电池内当施加电压。纳米颗粒合成与注入的前体乙酸锰到名为溶剂开始。

    在该装置中,研究人员合成氧化锰纳米颗粒,其催化环氧化物至烯烃的转化及其电化学电池内当施加电压。纳米颗粒合成与注入的前体乙酸锰到名为溶剂开始。

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脱碳的消费类产品的制作

助理教授karthish manthiram(中心),博士后kyoungsuk斤(右),研究生约瑟夫·马卢夫(左),和他们的同事正在努力帮助下想办法将用电从关键可再生能源的化学反应脱碳化工等行业。

研究人员正在想从化学品服装,洗涤剂和防冻液药品和塑料商品中使用合成的新方法。


记者联系

凯瑟琳琉
电子邮件: keluu@mit.edu
电话:617-324-2408
澳门太阳城最新网站能源倡议

大部分工作,以减少能源消耗和碳排放都集中在交通和住宅部门。很少有人注意,已经支付给制造业,即使它消耗的能量比任何行业并发出那些高层次的合作2 正在进行中。

为了帮助解决这种情况,助理教授 karthish manthiram,博士后kyoungsuk斤,研究生约瑟夫·小时。马卢夫和minju涌,和他们的同事,所有化学工程的麻省理工大学,已制定合成环氧化物的新方法,在消费品,从化纤衣物,清洁剂和防冻液药品和用于制造一组化学物质塑料。

“我们不认为关于我们使用一个塑料瓶或者我们把在服装上的嵌入能量和二氧化碳足迹,说:” manthiram。 “但是环氧化物是无处不在!”

如太阳能和风能和存储技术的成熟,它的时间来解决什么manthiram所说的“从环氧化物制成的材料藏能源和碳足迹”和钥匙,我指出的,可能是用电来自随着可再生能源进行环氧化物合成特别设计的催化剂和一个不太可能的原料:水。

挑战

环氧化物可以由各种含有已知化合物统称为烯烃碳 - 容器制成。但不管所使用的烯烃的,转换过程产生高水平的一般的共2 或者有其他严重缺陷。

为了说明问题,使用现在描述制造环氧乙烷,在制备洗涤剂,增稠剂,溶剂,塑料和其它消费品中使用的环氧化物manthiram过程。环氧乙烷的需求是如此之高,它拥有第五大合作2 任何化学的足迹今天宣布的。

上述幻灯片放映的图1的顶板示出了一个通用的合成方法。最简单的配方是:结合乙烯分子和氧分子,若使该混合物以高温和高压,并分离出环氧乙烷形成。

然而,这些环氧乙烷分子是通过共伴随分子2 - 一个问题,由于环氧乙烷的体积产生的全国。此外,所需的高的温度和压力由通常燃烧化石燃料产生的。和的条件是如此极端,必须在大规模压力容器中的反应。所需要的资金投入高,所以在中央位置一般生产环氧化物,然后长距离运输到消费点。

广泛另一环氧化物是合成的氧化丙烯,其是在制造各种各样的产品中使用的,治疗包括香料,增塑剂,洗涤剂,和聚氨酯。在这种情况下,烯烃 - 丙烯 - 被结合叔丁基氢过氧化物,如在图1中从叔丁基氢过氧化物的氧原子移动到分子的底板,以形成环氧丙烷所需丙烯示出。反应条件是一定程度上比在环氧乙烷合成不太苛刻,但副产物必须处理。和而不是合作2 被创建,所述氢过氧化物是叔丁基的高反应性,易燃和有毒,所以它必须非常小心地处理。

总之,合成的现有方法产生的环氧化物共2,涉及危险化学品,需要巨大的压力容器,或致电化石燃料的燃烧。 manthiram和他的团队认为必须有一个更好的办法。

一种新的方法

的目标是简单的在环氧化物合成:简单地从一个源的氧原子分子转移到烯烃分子。 manthiram和他的实验室想出了一个主意:可以用水作为氧原子需要一个可持续的良性源?概念是违反直觉的。 “那有机化学家说,这将有可能不应该因为水和烯烃不相互反应,”我说。 “但是,如果我们利用电来释放在水中的氧原子?电化学导致有趣的事情发生 - 这是在我们组做什么”的心脏。

用电分解水成氧和氢是被称为电解标准做法。一般,水的电解以产生氢气的目标是用于工业应用的某些或用作燃料。氧气被简单地排放到大气中。

到manthiram,似乎浪费的做法。为什么不能做一些与氧气有用吗?制备环氧化物似乎是完美的机会 - 和好处可能是显著。生成两个有价值的产品而不是一个会降电解水的成本高。事实上,它可能成为一个更便宜,无碳替代今天的通常由天然气生产氢气的做法。所需处理的电能由可再生资源如阳光和风产生。不会有任何涉及不需要的副产物或危险物。并且就没有必要进行大规模,成本高,事故多发的压力容器。其结果是,环氧化物可以在小规模进行,靠近他们将要使用的地方模块化设施 - 无需运输,分发,或储存所产生的化学物质。

反应是否行得通呢?

然而,有一个机会,建议的过程,可能无法正常工作。在电解过程中,氧原子迅速配对以形成氧气。所提出的方法 - 在幻灯片上述图2中所示 - 这将需要一些氧原子移动到烯烃之前他们结合彼此。

调查过程的可行性,manthiram的研究小组进行了批判性的分析,找出反应是热力学有利不管。确实整个系统转移到一个较低的状态,通过使移动的能量?换句话说,产品更稳定比反应物?

它们开始与在温度和压力的各种组合的提出的反应的热力学分析 - 在烃加工中使用的标准变量。作为一个例子,它们再次使用的环氧乙烷。结果的同时,在上面的幻灯片如图3所示,并不令人鼓舞。如在左侧图中示出了蓝色均匀,即使在升高的温度和压力下,乙烯与环氧乙烷和水加氢转化不会发生 - 就像化学家的直觉将预测。

但他们的建议是使用压力,而不是电压来驱动的化学反应。如图3所示右手的人物,与变化,分析的看着结果更有前途。乙烯至环氧乙烷的转化发生在约0.8伏。所以该过程是在低于日常电压即一个AA电池中,并在室温下基本上是可行的。

而热力学分析可以显示出这是一个可能的反应,但没有透露它是如何发生的很快,反应一定要快,以符合成本效益。研究人员因此需要催化剂设计 - 材料,该材料将加快而不会消耗的反应。

设计催化剂具体的电化学反应是manthiram的组的一个焦点。对于这种反应,开始与决定,他们锰氧化物催化知水分解反应的材料。并增加催化剂的效果,他们制作成纳米颗粒 - 颗粒大小要能最大限度地在其上表面面积可以发生反应。

图4在上面显示幻灯片中的电化学电池他们设计特殊。这样像所有的细胞,它具有两个电极 - 在这种情况下,在那里氧转移到使烯烃成环氧化物的阳极和阴极凡氢气形式。阳极由与氧化锰纳米颗粒的装饰碳纸(黄色示出)。阴极由铂制成。在阳极和阴极之间为电解质即渡轮带电它们之间的离子。在这种情况下,电解质是一种溶剂,将水(氧源)的混合物中,和烯烃。

在图中的放大图4展示在两个电极会发生什么。右侧视图示出了烯烃和水(H2○)分子到达阳极表面。通过催化剂的鼓舞,水分子掰开,发送两个电子(负电荷的粒子,E)到阳极和释放两个质子(带正电的氢离子,H +)到电解质。剩余的氧原子(O)加入电极的表面上的烯烃分子,形成所期望的环氧化物分子。

两个释放的电子行进通过阳极和周围的外部电路(以红色显示),在那里它们通过电源 - 理想情况下,由可再生燃料源:如风力或阳光和增益额外的能量。当两个激发的电子到达阴极,两个质子他们加入到达在电解质以及 - 如图中左侧放大图 - 它们形成氢气(H2),其中离开单元的顶部。

实验结果

实验用的设置这是令人鼓舞的。迄今为止,该工作具有烯烃涉案称为烯,一个众所周知的分子,一直广泛应用于人们学习的氧化反应。 “乙烯等在结构上更重要,需要加以解决,但我们正在开发的一个著名的分子基础只是为了让我们开始,说:” manthiram。

已经平息结果的主要问题。在一个试验中,研究人员两端的3.8伏施加在室温下它们的混合物,和四小时后,关于环辛烯的一半有其转化成环氧化物对应物,环辛烯氧化物。 “这一结果确认,以便我们能够使水分解,使氢气和氧气和氧原子然后拦截,使他们走上烯烃并将其转化为环氧化物,说:” manthiram。

有效但如何转换发生的呢?如果该反应是完全有效的,一个氧原子会移动到烯烃为每两个电子进入即阳极。因此,对于每个环氧化物一个分子将形成形成氢分子。使用专门设备,所计数的分子研究人员为每个环氧FORMED对通过外部电路传递到状氢的电子的数量。

这一分析表明,他们的转换效率的理论最大效率30%。 “因为这是做电子的还有还有其他的反应 - 也许制氧,例如,或氧化剂一些溶剂,说:” manthiram。 “但是对于我们来说,30%是新的反应以前未知的一个了不起的数字。对于第一个步骤是,对此我们感到非常高兴。“

也就是说manthiram认识到需要有效率可能会高一倍,甚至更高,该处理是商业上可行。 “最终技术经济将引导如果这一数量需要,”我说。 “但我要说的是,我们发现的心脏至今是意识到有一个催化剂,可以使这种情况发生。这就是开辟了一切,因为最初的发现,我们已经探讨了。“

令人鼓舞的成果和未来的挑战

manthiram是谨慎,不要夸大工作的潜在影响。 “我们知道结局是什么,”我说。 “我们把烯烃,我们得到了环氧化物。”为了优化转换效率,但他们需要知道在分子水平上的所有参与该转换的步骤。例如,第一确实电子转移通过本身,或者它在同一时间与质子移动?如何做催化剂结合的氧原子?和如何做的氧原子转移到烯烃的催化剂的表面上?

据manthiram,我和他的小组假设有一个反应过程,有几个分析技术,并提供了支持它的“可观的少数”。但我承认,是更加理论和实验工作,做开发和验证了详细的机制可以使用他们引导优化过程。再有实际的考虑,比如如何从电化学电池中提取环氧化物,以及如何扩大生产。

一个认为manthiram环氧化物这项工作仅仅是他的研究小组的“冰山一角”。有能他们可能是电压,并使用专门设计的催化剂,许多其他化学品。而一些尝试可能无法工作,每一个,他们会更多地了解电压和电子和表面如何影响结果。

我和他的团队预测,化学工业的面貌将在未来几年内发生巨大的变化。减少了需要合作2 排放和能源消耗正在推动对化学用电来自可再生来源的走向已经制造研究。和电力将越来越多地在分布式站点进行。 “如果我们有太阳能电池板和风力涡轮机随处可见,为什么不这样做化学合成接近时产生的动力在哪里,并让商业产品贴近社区需要它们?”说manthiram。结果将被分布式,电气化和脱碳化工行业 - 在能源使用和合作的显着降低两个2 排放。

ESTA研究是由化学工程的澳门太阳城最新网站的部门,由美国国家科学基金会研究生研究奖学金支持。

这篇文章将出现在 2019秋 问题在于 能源期货, 澳门太阳城最新网站能源倡议的杂志。 


主题: 澳门太阳城最新网站能源倡议, 化学工程, 研究, 能源, 排放, 制造业, 工程学院, 行业,

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