凱文·默勒博士說(shuō)，這個(gè)想法很簡(jiǎn)單，但它有很大的影響。我們所建議的只是使用光伏電池(清潔能源)為電化學(xué)反應(yīng)(清潔化學(xué))提供動(dòng)力。默勒是第一個(gè)承認(rèn)這不是新科學(xué)的人。
“但我們希望通過(guò)在兩種現(xiàn)有技術(shù)之間建立聯(lián)系來(lái)改變?nèi)藗冞M(jìn)行這種化學(xué)反應(yīng)的方式，”他說(shuō)。
為了強(qiáng)調(diào)這個(gè)想法的簡(jiǎn)單性，默勒和他的合著者使用了互聯(lián)網(wǎng)上出售的價(jià)值6美元的太陽(yáng)能電池，旨在為玩具汽車提供動(dòng)力，以運(yùn)行綠色化學(xué)發(fā)表的一篇文章中描述的反應(yīng)。
如果他們的建議被化學(xué)工業(yè)廣泛采用，它將消除目前由化學(xué)合成中常用的一類反應(yīng)產(chǎn)生的有毒副產(chǎn)物 - 以及它們?cè)斐傻沫h(huán)境和經(jīng)濟(jì)損害。
氧化反應(yīng)的麻煩
Moeller是圣路易斯華盛頓大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)化學(xué)教授，他是一名有機(jī)化學(xué)家，負(fù)責(zé)制造和操作主要由碳，氫，氧和氮組成的分子。
合成有機(jī)分子的一個(gè)重要工具 - 包括從麻醉劑到紗線的所有物質(zhì)的巨大類別 - 是氧化反應(yīng)。
“它們是我們擁有的一種工具，可以讓我們?cè)黾臃肿拥墓δ?，為它添加更多?rdquo;手柄“，可以通過(guò)它來(lái)操縱，”Moeller說(shuō)。
“分子通過(guò)稱為官能團(tuán)的原子組合相互作用，”他解釋道。“酮類，醇類或胺類都是官能團(tuán)。分子上的官能團(tuán)越多，分子與其他分子的相互作用就越多。”
“氧化反應(yīng)將官能團(tuán)連接到分子上，”他繼續(xù)道。“如果我的碳?xì)浠衔镏挥刑己蜌湓咏Y(jié)合在一起，而我想將其轉(zhuǎn)化為醇，酮或胺，我就必須將其氧化。”
在氧化反應(yīng)中，從分子中除去電子。但是電子必須到達(dá)某個(gè)地方，因此每個(gè)氧化反應(yīng)都與還原反應(yīng)配對(duì)，其中電子被添加到第二個(gè)分子中。
Moeller說(shuō)，問(wèn)題在于“第二個(gè)分子是廢物;它不是你想要的東西。”
他說(shuō)，一個(gè)例子是工業(yè)醇氧化，它使用氧化劑鉻將醇轉(zhuǎn)化為酮。在此過(guò)程中，鉻(最初是六價(jià)鉻)吸收電子并變成鉻IV。鉻IV是氧化反應(yīng)的廢產(chǎn)物。
在這種情況下，存在部分解決方案。高碘酸鈉用于回收劇毒的鉻IV。鹽，高碘酸鈉在溶液中解離，高碘酸根離子(帶有氧的碘原子)與鉻相互作用，使其恢復(fù)到其原始的氧化態(tài)。
問(wèn)題在于恢復(fù)鉻會(huì)破壞高碘酸鹽。另外，這個(gè)過(guò)程效率低下; 每生產(chǎn)一種所需產(chǎn)物，就會(huì)消耗三當(dāng)量的高碘酸鹽。
尋求更清潔的副產(chǎn)品
Moeller表示，“所有的化學(xué)氧化都有副產(chǎn)品，所以問(wèn)題不在于是否會(huì)產(chǎn)生副產(chǎn)品，而是副產(chǎn)品是什么。人們已經(jīng)開始考慮如何在減少副產(chǎn)品是良性的情況下進(jìn)行氧化。”
“如果使用氧氣進(jìn)行氧化，副產(chǎn)品就是水，這是一個(gè)溫和的過(guò)程，”他說(shuō)。
但是有一個(gè)問(wèn)題!像所有其他分子一樣，氧具有固定的氧化電位或接受電子的意愿。“因此，無(wú)論我想在溶液中氧化，都必須具有與氧氣相匹配的氧化電位。如果沒(méi)有，我可能不得不改變我的整個(gè)反應(yīng)，以確保我可以使用氧氣。當(dāng)我改變整個(gè)反應(yīng)時(shí)，也許它運(yùn)行得不像以前那么好。所以我的能力有限，“默勒說(shuō)。
一個(gè)更簡(jiǎn)單的想法也更清晰。
還有另一種方法可以做到這一點(diǎn)。“電化學(xué)可以氧化具有任何氧化電位的分子，因?yàn)殡姌O電壓可以調(diào)整或調(diào)整，或者我可以以自己調(diào)整的方式運(yùn)行反應(yīng)。因此我有很多工作的多功能性，”Moeller說(shuō)。
此外，電化學(xué)氧化的副產(chǎn)物是氫氣，因此這也是一個(gè)清潔的過(guò)程。
但同樣有一個(gè)問(wèn)題。電化學(xué)只能像電源一樣綠色。如果氧化反應(yīng)運(yùn)行清潔，但電力來(lái)自燃煤電廠，問(wèn)題就不能避免，只是流離失所。
答案是使用最清潔的能量，光伏電池捕獲的太陽(yáng)能來(lái)進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)。
“這就是綠色化學(xué)的文章，”默勒說(shuō)。“這是一份原理論證的論文，表明這項(xiàng)工作很容易，而且就像沒(méi)有使用光伏發(fā)電的反應(yīng)一樣，所以不必改變化學(xué)反應(yīng)。”
下一步
的綠色化學(xué)制品表現(xiàn)出通過(guò)在電極直接氧化分子的方法。沒(méi)有使用化學(xué)試劑。自撰寫文章以來(lái)，Moeller的研究小組一直在研究太陽(yáng)能電化學(xué)如何以清潔的方式回收化學(xué)氧化劑。
如果電極的電壓與必須被氧化的分子的氧化電位相匹配，制造商為什么會(huì)選擇使用化學(xué)氧化劑?
“電極完全選擇氧化電位，”Moeller解釋道。“化學(xué)試劑沒(méi)有?；瘜W(xué)試劑的結(jié)合特性可能因分子的一部分而異。而且還有一種稱為空間位阻的東西，這意味著分子的一部分可能會(huì)物理阻擋進(jìn)入氧化位點(diǎn)，迫使基質(zhì)到試劑的其他部位。“
“化學(xué)界已經(jīng)學(xué)會(huì)了如何使用化學(xué)試劑來(lái)選擇反應(yīng)，”他說(shuō)。“試劑通常昂貴且有毒，因此它們可以回收利用，”他說(shuō)。“我們正在努力清理試劑回收。”
在上述鉻氧化中，例如，鉻IV可以電化學(xué)方式再循環(huán)，而不是通過(guò)與高碘酸鹽的反應(yīng)。反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氫氣作為副產(chǎn)物，而不是高碘酸鹽廢物。
“另一個(gè)例子是進(jìn)行酒精氧化的工業(yè)過(guò)程，將醇基轉(zhuǎn)化為羰基，”Moeller說(shuō)。這個(gè)過(guò)程使用TEMPO，一種在1960年發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜化學(xué)試劑.TEMPO價(jià)格昂貴，因此可以通過(guò)添加漂白劑進(jìn)行回收。這使TEMPO再生，但產(chǎn)生氯化鈉作為副產(chǎn)品。“
少量氯化鈉是食鹽，但在工業(yè)數(shù)量上，它是一種廢物，其處理成本高昂。再一次，TEMPO可以使用電化學(xué)循環(huán)，這是一種產(chǎn)生氫氣作為唯一副產(chǎn)物的過(guò)程。
“我們無(wú)法通過(guò)將太陽(yáng)能與電化學(xué)相結(jié)合來(lái)使所有的化學(xué)合成更加清潔，”Moeller說(shuō)，“但我們可以解決人們使用的氧化反應(yīng)。也許這會(huì)激發(fā)其他人提出簡(jiǎn)單而創(chuàng)新的解決方案。他們感興趣的其他類型的反應(yīng)。“