Các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đã phát triển một phương pháp tái chế chất xúc tác bạch kim được sử dụng trong sản xuất vật liệu silicon có giá trị.
Sơ đồ quy trình tái chế chất xúc tác hỗ trợ điện hóa. Các hộp màu vàng đề cập đến môi trường hydrosilylation không dẫn điện, và các hộp màu xanh lam đề cập đến môi trường dẫn điện. Tín dụng: Xiao Su
Các chất xúc tác đồng nhất làm từ các kim loại có giá trị như bạch kim thường được sử dụng trong quá trình hydrosilylation—một phản ứng hóa học quan trọng được sử dụng trong sản xuất silicon. Việc tái chế các chất xúc tác này mang lại lợi ích tiết kiệm chi phí, nhưng việc thực hiện theo các phương pháp truyền thống rất tốn kém và khó khăn do nồng độ bạch kim thấp, độ nhớt và điểm sôi cao của các sản phẩm hydrosilylation, và xu hướng mất hoạt tính của chất xúc tác.
Trong một nghiên cứu mới do giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học phân tử Xiao Su đứng đầu và được công bố trên tạp chí JACS Au, các kỹ sư đã trình bày chi tiết phương pháp thu hồi các chất xúc tác này bằng cách sử dụng các vật gắn phân tử được thiết kế đặc biệt và các công nghệ phân tách điện hóa tiên tiến.
"Hầu hết điện hóa học đều có tác dụng với những thứ rất phân cực, những thứ dẫn điện—ví dụ, dung dịch nước như nước", Su nói. "Thật khó khăn để chuyển sang một quy trình công nghiệp thực sự trong đó mọi thứ đều không phân cực, như dầu".
Bước đầu tiên của họ là bảo toàn hoạt động trong chất xúc tác sau phản ứng để có thể sử dụng lại. Để đạt được điều này, nhóm nghiên cứu đã đưa vào một phân tử đặc biệt—một phối tử olefin—để gắn vào nguyên tử bạch kim. Sự gắn kết phối tử ngăn ngừa sự kết tụ các hạt, nguyên nhân chính gây ra sự bất hoạt, và bảo toàn hiệu quả của chất xúc tác sau khi sử dụng.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một loại polymer hoạt động oxy hóa khử để phủ lên các điện cực được sử dụng trong quá trình thu giữ. Lớp phủ được kích hoạt bằng điện hóa học và được đưa vào hỗn hợp phản ứng, sau đó có thể liên kết các chất xúc tác—ngay cả trong môi trường không dẫn điện—và giải phóng chúng vào một dung dịch riêng biệt mà chúng có thể dễ dàng được thu hồi.
"Nó hơi giống một bộ lọc", Su giải thích. "Nó liên kết chất xúc tác bạch kim, hiện đã ổn định, và sau đó chúng tôi đưa nó vào một dung dịch khác và giải phóng nó để có thể sử dụng lại. Vì vậy, chúng tôi có hệ thống bắt và giải phóng này về cơ bản là 'bắt' bạch kim từ dung dịch sản phẩm và sau đó 'giải phóng' nó vào môi trường phản ứng mới. Và điều này cho phép bạn tiếp tục sử dụng chất xúc tác".
Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu có thể giữ lại gần 100% hoạt động của chất xúc tác và đạt hiệu suất giải phóng gần 90%, ngay cả trong điều kiện hydrosilylation khó khăn.
Su và các đồng nghiệp đã hợp tác trong dự án với các nhà nghiên cứu Dow Miao Wang và Evan Bergman thông qua Sáng kiến Đối tác của Đại học Dow. Quan hệ đối tác này cho phép họ phát triển phương pháp của mình bằng cách sử dụng các quy trình công nghiệp thực tế.
"Chúng tôi đã chứng minh trước đây rằng bạn có thể tái chế chất xúc tác từ các dung dịch dẫn điện như nước, nhưng đây là lần đầu tiên chúng tôi thực sự làm điều đó với các quy trình công nghiệp thực sự có nhiều dung môi không phân cực", Su cho biết. "Chúng tôi đã làm việc với các nhóm R&D của Dow—các nhà nghiên cứu công nghiệp thực sự đang nghiên cứu quy trình sản xuất silicon—vì vậy chúng tôi đã có rất nhiều phản hồi thực tế về các vấn đề thực tế mà ngành công nghiệp phải đối mặt".
Việc tái chế chất xúc tác không chỉ mang lại lợi ích kinh tế: nó làm giảm tổng lượng chất thải và loại bỏ nhu cầu khai thác bạch kim mới, một quá trình vừa tốn kém vừa gây hại cho môi trường. Su hình dung cách tiếp cận bền vững này sẽ hữu ích cho sản xuất hóa chất nói chung.
Su cho biết: "Tôi nghĩ đây là một sự thay đổi mô hình mới thú vị khi thực sự xem xét toàn bộ quá trình như một vấn đề tuần hoàn: yếu tố này bị lãng phí, sau đó bạn có thể vớt nó ra và sử dụng lại trong quá trình này".
"Bạn không chỉ không có kim loại này trong chất thải mà còn mang lại giá trị và tiết kiệm hoạt động khai thác chính các nguyên tố này. Vì vậy, nhìn chung, chuỗi cung ứng của bạn sẽ linh hoạt hơn."
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
