Procesos químicos de descarbonización con Thor

La industria de fabricación de productos químicos consume aproximadamente el 10 % de la energía producida en todo el mundo y es responsable de más del 5 % de las emisiones mundiales de carbono. Casi todos los productos químicos se sintetizan utilizando energía térmica generada por la combustión de combustibles fósiles, lo que genera una importante huella de carbono en este sector. ¿Qué pasaría si hubiera una manera de reducir la huella de carbono sin requerir cantidades significativas de energía o altos costos? Ahí es donde entra en juego el ganador del premio Metrohm Young Chemist Award 2021, Ryan Jansonius.

Premio Metrohm al Joven Químico

Metrohm valora el espíritu de innovación y cree en el valor de la investigación novedosa realizada por jóvenes científicos pioneros. ¡En Metrohm USA, la tradición de realizar un concurso anual para investigadores principiantes se ha mantenido durante casi una década! Cada año se reciben entre 50 y 75 inscripciones para intentar ganar un gran premio de $10,000 USD.

Un panel de jueces de dentro y fuera de la empresa revisa las presentaciones y califica las respuestas de los solicitantes a las preguntas de la solicitud. Luego, a los finalistas se les hace una serie de preguntas de seguimiento de los jueces y se les pide que resuman su papel en el trabajo y su potencial futuro. Se elige un ganador, que luego presenta su investigación en PITTCON. Vea la presentación de Ryan en PITTCON 2021 a continuación!

Ganadores anteriores del MYCA  continuaron su investigación y ampliaron sus horizontes utilizando el dinero del premio para hacer cosas que de otro modo habrían tenido que transmitir.

Más información sobre el premio Metrohm Young Chemist ¡aquí! Los solicitantes no tienen que usar instrumentación Metrohm para ser considerados y no juega ningún papel en la selección del ganador.

Premio Metrohm Young Chemist

Descarbonizando la industria química

La investigación doctoral de Ryan en la UBC se centra en encontrar formas de descarbonizar la fabricación de productos químicos. La producción de combustibles, plásticos, fertilizantes, productos farmacéuticos y productos químicos especiales consume una cantidad significativa de energía y es responsable del 5 % de todas las emisiones de gases de efecto invernadero. Al desarrollar formas de producir estos productos químicos útiles utilizando solo materias primas abundantes y electricidad renovable, existe la oportunidad de compensar estas emisiones.

Para descarbonizar los procesos químicos, Ryan y su grupo están desarrollando un reactor que puede usar electricidad renovable para impulsar reacciones químicas que de otro modo requerirían insumos de combustibles fósiles. El tipo de reacción al que se dirigen se llama «hidrogenación», y se utiliza en aproximadamente el 25% de toda la fabricación de productos químicos en varias industrias. hidrogenación es un proceso químico simple en el que se agregan átomos de hidrógeno a una materia prima química insaturada.

Normalmente, esto requiere gas de hidrógeno a alta presión y alta temperatura para lograrlo, lo cual es extremadamente peligroso manejar. La tecnología convencional requiere plantas de hidrogenación intensivas en capital para este propósito y no ha cambiado durante casi un siglo.

El reactor, llamado «Thor», produce hidrógeno a través de la electrólisis del agua, que luego pasa a través de una membrana delgada e hidrogena una materia prima orgánica. Lo que hace único a Thor es el uso de un membrana de paladio como cátodo, membrana selectiva de hidrógeno, y catalizador de hidrogenación simultáneamente. Esta arquitectura permite que la electrólisis proceda en un electrolito acuoso mientras que la hidrogenación se realiza en un disolvente orgánico. Ambas reacciones proceden eficientemente como resultado.

Este proceso evita el uso de H de origen fósil₂, y los calentadores de gas natural necesarios para los reactores de hidrogenación termoquímica convencionales utilizados industrialmente en la actualidad. El objetivo final es usar Thor para producir diesel renovable, productos farmacéuticos y una gran cantidad de productos químicos especializados derivados biológicamente de una manera que sea limpiador, más seguro, y más rentable que los métodos convencionales.

La leyenda de Thor (Tecnología)

¿Dónde se originó el nombre «Thor»?

El estudio del sistema paladio-hidrógeno llevó al grupo de investigación Berlinguette a desarrollar el reactor Thor en 2018. A la inventora de la tecnología, Rebecca Sherbo (actualmente becaria postdoctoral en Harvard), se le ocurrió esta idea después de estudiar la extrañas propiedades de absorción de hidrógeno del paladio. La primera configuración y prueba de concepto fue una tándem hidrogenación oxidación reactor. Ahora, en lugar del método de electrólisis emparejada, utilizan la hidrólisis del agua como fuente de hidrógeno, pero mantienen el gran nombre para recordarles la historia.

¿Qué es Thor Tech? Ryan y su equipo de investigación explican su proyecto en pocas palabras:

Impacto comercial potencial de una tecnología más ecológica

Thor resuelve desafíos clave con métodos de hidrogenación convencionales mediante el uso de agua como fuente de hidrógeno. Por lo tanto, H presurizado₂ ya no se requiere gas, lo cual es un desafío de manejar y almacenar. La reactividad de los átomos de hidrógeno entregados a la materia prima orgánica en el reactor es del orden de cientos de atmósferas. Por lo tanto, el hidrógeno obtenido del agua se puede utilizar para hidrogenar moléculas orgánicas sin el uso de reactivos peligrosos o altas temperaturas. El uso de electricidad como única entrada de energía también permite que el dispositivo sea carbono neutral si está acoplado a una fuente de electricidad renovable.

¿Por qué elegir Metrohm?

Entonces, ¿por qué elegir Metrohm sobre otros proveedores? Le pregunté a Ryan sobre sus experiencias con nuestra línea de potenciostatos por su investigación doctoral en el grupo de laboratorio Berlinguette de la UBC.

Más información sobre Metrohm instrumentos electroquimicos debajo.

Electroquímica de Metrohm

¡Estamos totalmente de acuerdo! Para más información sobre los potenciostatos de Metrohm Autolab, visite su sitio web.

Metrohm Autolab

Los siguientes pasos

El equipo de Thor está trabajando actualmente para desarrollar membranas que usen menos paladio, diseñando celdas de flujo para aumentar las velocidades de reacción y la eficiencia, y catalizadores de detección que permitan hidrogenar una gama más amplia de materias primas en Thor.

Por supuesto, la pandemia de COVID-19 ha influido en las actividades de investigación en todo el mundo, y no es diferente para nuestro ganador del premio Metrohm Young Chemist. Después de pasar casi seis meses fuera del laboratorio, las medidas de distanciamiento social dificultaron que Ryan terminara su trabajo de doctorado. Si un experimento fallaba, se podía perder toda una semana de trabajo debido a la necesidad de escalonar la asistencia. Finalmente, el equipo se mudó a un espacio desocupado más grande cercano para continuar con su trabajo.

¿Cómo se utilizará el dinero del premio MYCA?

Después de completar su doctorado, Ryan había planeado poner todos sus esfuerzos en su nueva empresa ThorTech en función de la investigación a la que contribuyó. Sin embargo, la transición de investigador graduado a cofundador de una empresa emergente es bastante costosa.

Quiere tomarse un tiempo libre para trabajar en la empresa antes de que llegue el capital de inversión, y el dinero del premio será fundamental para ayudarlo a lograrlo. Además, ¡se necesita un poco de descanso y recarga después de terminar su carrera!

Ryan defiende su Ph.D. en la Universidad de Columbia Británica en mayo de 2021, y le deseamos la mejor de las suertes. Para obtener más información sobre la investigación de Ryan y su equipo, a continuación se proporciona literatura seleccionada revisada por pares.

Literatura seleccionada para lectura adicional:

• Sherbo, RS; Delima, RS; Chiykowski, VA; et al. Complete la economía de electrones emparejando la electrólisis con la hidrogenación. Nat. Catal. 2018, 1, 501–507. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0083-8

Este es el primer artículo publicado. en el reactor Thor.
 

• Sherbo, RS; Kurimoto, A.; Marrón, CM; et al. Hidrogenación electrocatalítica eficiente con un reactor de membrana de paladio. JAC 2019, 141, 7815–782. https://doi.org/10.1021/jacs.9b01442

Thor permite ~65% más reacciones de hidrogenación energéticamente eficientes de lo que se puede lograr usando métodos normales de hidrogenación electroquímica.
 

• Delima, RS; Sherbo, RS; Dvorak, DJ; et al. Arquitectura de reactor de membrana de paladio soportado para hidrogenación electrocatalítica. j Mate. química A 2019, 7, 26586–26595. https://doi.org/10.1039/c9ta07957b

Este artículo describe un diseño para paladio. membranas que utiliza 25 veces menos paladio que las láminas de paladio convencionales.
 

• Kurimoto, A.; Sherbo, RS; Cao, Y.; et al. Deuteración electrolítica de enlaces insaturados sin usar D₂. Nat. Catal. 2020, 3, 719–726. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0488-z

Thor también se puede utilizar para deuterar (hidrogenar, pero con agua pesada) moléculas orgánicas. Un video que describe la tecnología se encuentra aquí.
 

• Jansonius, RP; Kurimoto, A.; Marelli, AM; et al. Hidrogenación sin H₂ Uso de una celda de flujo de membrana de paladio. Informes celulares Ciencias físicas, 2020, 1, 100105. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100105

Este artículo muestra una arquitectura de celda de flujo escalable diseñada y validada, que permite Reacciones de hidrogenación 15 veces más rápidas y 2 veces más eficientes.
 

• Huang, A.; Cao, Y.; Delima, RS; et al. La electrólisis se puede utilizar para resolver las vías de hidrogenación en superficies de paladio en un reactor de membrana. JACS Au 2021, 1, 336-343. https://doi.org/10.1021/jacsau.0c00051

Thor también se puede utilizar para resolver mecanismos de reacción complejos depositando nanopartículas en la superficie de la membrana.