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慢化学让地球更绿色

来源:http://www.yamatoshokai.com 作者:www.041.net 时间:2020-03-11 22:12

慢化学让地球更绿色 固体老化反应研究方兴未艾

催化剂研究进展或将建造通往清洁能源的高速公路

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地衣产生同固体岩石发生反应的酸,而化学家正试图模仿这一过程。

图片来源:Jasiek Krzysztofiak/Nature

图片来源:Frans Lanting

在她1794年的书籍《一篇关于燃烧的文章》中,苏格兰化学家Elizabeth Fulhame注意到了一个奇怪的现象:煤炭和木炭等物质潮湿时会燃烧地更好。经过很多实验了解其背后的原因之后,她总结称水会分解成氢和氧,它们可以与其他化合物产生相互作用从而使燃烧更加猛烈。在文末,Fulhame写道,这一过程“形成了相当于已分解的新水量”。

www.041.net,Cristina Mottillo并不着急。她把细细研磨的白色粉末倒入有盖培养皿,用一个小玻璃瓶的侧面小心翼翼地将其摊平,然后把它封装到一个热度和湿度均同热带闷热夏日相仿的房间内。

很多历史学家认为这是关于催化剂的首个科学叙述:一种不会被消耗掉的、通过形成或打破化学键而加速化学反应的物质。如果没有催化剂,现代化学的发展将难以想象。“它们不只让化学反应变得可行,而且还以新方式引导其发生。”,美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家Susannah Scott说,“它们非常强大。”

“现在,我们就等着。”她说。

催化剂被用于化学行业约90%的生产过程中,并且是制造燃料、塑料、药品和化肥的基本物质。至少有15项诺贝尔奖被授予催化剂方面的研究工作。全球数以千万计的化学家仍在继续改善已有的催化剂,并设法发明新的催化剂。

接下里的4天里,Mottillo并未采取进一步的措施。上述粉末中的3种化学物质将逐渐变成ZIF-8—— 一种被称为金属有机骨架的稳定、多孔化合物,而它能在碳捕获和储存中找到广泛的应用,并且比原材料的初始价值高出100倍。“反应物包揽了所有工作。”加拿大麦吉尔大学化学专业博士生Mottillo说。

这些工作在一部分上是受到可持续发展兴趣的驱动。催化剂的作用是沿着精确设定的通道引导化学反应,从而让化学家可以跳过反应步骤、减少浪费、减少能源使用以及用更少的资源做更多的事情。对着对气候变化和环境保护的日益关注,可持续性已经变得越来越重要。催化剂是“绿色化学”的一个重要源泉:阻止污染发生的一项全行业的工作。

这是对通常涉及溶解、加热和在溶液中搅拌配料以促使它们快速发生反应的标准化学合成方法的彻底背离。后者快捷、易于理解,但往往耗费大量化学物质和能源,并且对环境造成极大的挑战。据估计,在由工业过程和高校实验室产生的所有化学废料中,有50%~80 %包含合成、分离和提纯时留下的溶剂。

催化剂还被认为是解锁比煤炭、石油或天然气等更加惰性以及难以利用,但却比其更加清洁的能源资源的关键。相关领域的创新步伐之大,让一些专家甚至也难以追赶得上,密歇根大学化学家、带领美国能源部研究新催化剂表现标准的Melanie Sanford说。“我们需要确定,我们在朝着最经济有效的方向推进科学。”

近20年来,全球“绿色化学”运动一直试图寻找使这些有毒废液最小化的方法。不过,Mottillo是开始采用一种即使根据“绿色化学”运动的标准也稍显激进的方法的少数科学家之一。她的博士生导师、麦吉尔大学化学家Tomislav Friscic将这种方法描述为“懒人的化学”:让混合在一起的固体反应物不受干扰地“静坐”在那里,它们自己会主动发生变化。这种方法被称为“缓慢化学”更为恰当,或者只是在老化。它需要很少的危险性溶剂——如果有的话,并且利用最少量的能源。如果规划妥当,这种方法还会消耗掉混合物中的所有反应物,以至于不会产生废弃物,并且无须大量使用化学物品的提纯过程。

利用催化剂就像在反应物A和产品B之间用推土机推出一条捷径,以此绕过复杂且费时的化学通路。利用一种真正好的催化剂就像建造一条多车道高速公路。其中一些最好的是“均相”催化剂:自由漂浮分子与混合物融合在一起。

此类过程已被知晓了上千年:铁生锈便是一个熟悉的例子,正如使自由女神像布满铜绿的长达几十年的风化过程。不过,直到现在,科学家才开始理解这些过程,并且学会如何控制它们以获得想要的产品。过去十年里,研究团队利用此类技术生产出有价值的产品,包括金属有机配合物、药物、简单的有机化合物和光致发光材料。诸如Friscic等拥护者希望能生产出更多此类产品。

这一类的工业催化剂通常含有一种起连接或打破化学键作用的金属离子,并由“配体”围绕着,它们经常是基于碳的、控制反应物接近金属离子的相连团簇。这一领域的很多研究需要调节这些配体使其适宜生产一种只进行所需化学反应的催化剂。

“最终的目标是真正清理化学生产行业。”他说。

然而不幸的是,到目前为止很多成功案例需要利用稀缺且昂贵的金属,如钯、铂、钌、铱。今天,化学家正在努力建造价格更低廉、地球上更加丰富的元素如铁、镍或铜,或是完全不使用金属。

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