Decarbonizzare i processi chimici con Thor

L'industria chimica consuma circa il 10% dell'energia prodotta nel mondo ed è responsabile di oltre il 5% delle emissioni globali di carbonio. Quasi tutte le sostanze chimiche sono sintetizzate utilizzando l'energia termica generata dalla combustione di combustibili fossili, portando alla significativa impronta di carbonio di questo settore. E se ci fosse un modo per ridurre l'impronta di carbonio senza richiedere quantità significative di energia o costi elevati? È qui che entra in gioco il vincitore del Metrohm Young Chemist Award 2021, Ryan Jansonius.

Il premio Metrohm Young Chemist

Metrohm apprezza lo spirito di innovazione e crede nel valore della nuova ricerca condotta da giovani scienziati pionieri. Alla Metrohm USA, la tradizione di organizzare un concorso annuale per i ricercatori all'inizio della carriera va avanti da quasi un decennio! Ogni anno vengono ricevute tra le 50 e le 75 iscrizioni per provare a vincere un primo premio di $ 10.000 USD.

Una giuria interna ed esterna all'azienda esamina le osservazioni e valuta le risposte dei richiedenti alle domande sulla domanda. Ai finalisti vengono quindi poste una serie di domande di follow-up da parte dei giudici e viene loro chiesto di riassumere il loro ruolo nell'opera e il suo potenziale futuro. Viene scelto un vincitore, che poi presenta la propria ricerca a PITTCON. Guarda la presentazione di Ryan al PITTCON 2021 di seguito!

I vincitori passati del MYCA  hanno continuato la loro ricerca e ampliato i loro orizzonti utilizzando il montepremi per fare cose che altrimenti avrebbero dovuto trasmettere.

Scopri di più sul Metrohm Young Chemist Award qui! I candidati non devono utilizzare la strumentazione Metrohm per essere presi in considerazione e non ha alcun ruolo nella selezione del vincitore.

Premio Metrohm Young Chemist

Decarbonizzare l'industria chimica

La ricerca di dottorato di Ryan all'UBC si concentra sulla ricerca di modi per decarbonizzare la produzione chimica. La produzione di combustibili, plastica, fertilizzanti, prodotti farmaceutici e prodotti chimici speciali consuma una quantità significativa di energia ed è responsabile del 5% di tutte le emissioni di gas serra. Sviluppando modi per produrre queste utili sostanze chimiche utilizzando solo materie prime abbondanti ed elettricità rinnovabile, c'è un'opportunità per compensare queste emissioni.

Per decarbonizzare i processi chimici, Ryan e il suo gruppo stanno sviluppando un reattore in grado di utilizzare elettricità rinnovabile per guidare reazioni chimiche che altrimenti richiederebbero combustibili fossili. Il tipo di reazione a cui mirano è chiamato «idrogenazione» e viene utilizzato in circa il 25% di tutta la produzione chimica in diversi settori. L'idrogenazione è un semplice processo chimico in cui gli atomi di idrogeno vengono aggiunti a una materia prima chimica insatura.

Normalmente, ciò richiede gas idrogeno ad alta pressione e ad alta temperatura per essere raggiunto, il che è estremamente pericoloso da gestire. La tecnologia convenzionale richiede impianti di idrogenazione ad alta intensità di capitale per questo scopo e non è cambiata per quasi un secolo.

Il reattore, chiamato «Thor», produce idrogeno attraverso l'elettrolisi dell'acqua, che poi passa attraverso una sottile membrana e idrogena una carica organica. Ciò che rende Thor unico è l'uso simultneo di una membrana di palladio come catodo, membrana selettiva per l'idrogeno, e catalizzatore di idrogenazione. Questa architettura consente all'elettrolisi di procedere in elettrolita acquoso mentre l'idrogenazione è mediata in solvente organico. Di conseguenza, entrambe le reazioni procedono in modo efficiente.

Questo processo aggira l'uso di H₂ di origine fossile e i riscaldatori a gas naturale necessari per i reattori di idrogenazione termochimica convenzionali utilizzati oggi a livello industriale. L'obiettivo finale è utilizzare Thor per produrre diesel rinnovabile, prodotti farmaceutici e una miriade di sostanze chimiche speciali di derivazione biologica in un modo che sia più pulito, più sicuro, e più conveniente rispetto ai metodi convenzionali.

La leggenda di Thor (Tech)

Da dove ha origine il nome «Thor»?

Lo studio del sistema palladio-idrogeno ha portato il gruppo di ricerca Berlinguette a sviluppare il reattore Thor nel 2018. L'inventore della tecnologia, Rebecca Sherbo (attualmente una borsista post-dottorato ad Harvard), ha avuto questa idea dopo aver studiato le bizzarre proprietà di assorbimento dell'idrogeno del palladio. La prima configurazione e prova del concetto è stata un reattore di ossidazione con idrogenazione in tandem. Ora, invece del metodo dell'elettrolisi accoppiata, usano l'idrolisi dell'acqua come fonte di idrogeno, ma hanno mantenuto il grande nome per ricordare loro la storia.

Cos'è ThorTech? Ryan e il suo team di ricerca spiegano il loro progetto in poche parole:

Potenziale impatto commerciale di una tecnologia più green

Thor risolve le sfide chiave con i metodi di idrogenazione convenzionali utilizzando l'acqua come fonte di idrogeno. Pertanto, pressurizzato H₂ il gas non è più necessario, il che è difficile da maneggiare e immagazzinare. La reattività degli atomi di idrogeno consegnati alla carica organica nel reattore è dell'ordine di centinaia di atmosfere. L'idrogeno ricavato dall'acqua può quindi essere utilizzato per idrogenare le molecole organiche senza l'uso di reagenti pericolosi o temperature elevate. L'utilizzo dell'elettricità come unico input di energia consente anche al dispositivo di essere a emissioni zero se è accoppiato a una fonte di energia elettrica rinnovabile.

Perché scegliere Metrohm?

Allora, perché scegliere Metrohm rispetto ad altri fornitori? Ho chiesto a Ryan delle sue esperienze con la nostra linea di potenziostati per la sua ricerca di dottorato nel gruppo di laboratorio Berlinguette presso l'UBC.

Scopri di più sugli strumenti elettrochimici di Metrohm di seguito.

Elettrochimica di Metrohm

Siamo pienamente d'accordo! Per ulteriori informazioni sui potenziostati di Metrohm Autolab, visita il loro sito web.

Metrohm Autolab

I prossimi passi

Il team di Thor sta attualmente lavorando per sviluppare membrane che utilizzino meno palladio, progettando celle di flusso per aumentare la velocità di reazione e l'efficienza, schermando catalizzatori che consentano di idrogenare in Thor una gamma più ampia di materie prime.

Naturalmente, la pandemia di COVID-19 ha influenzato le attività di ricerca in tutto il mondo e non è diverso per il nostro vincitore del Metrohm Young Chemist Award. Dopo aver trascorso quasi sei mesi fuori dal laboratorio, le misure di distanziamento sociale hanno reso difficile per Ryan finire il suo lavoro di dottorato. Se un esperimento fallisce, un'intera settimana di lavoro potrebbe andare persa a causa della necessità di scaglionare le presenze. Alla fine, il team si è trasferito in uno spazio non occupato più grande nelle vicinanze per continuare il proprio lavoro.

Come verrà utilizzato il premio in denaro MYCA?

Dopo aver completato il dottorato, Ryan aveva pianificato di dedicare tutti gli sforzi alla sua start-up ThorTech sulla base della ricerca a cui ha contribuito. Tuttavia, il passaggio da ricercatore laureato a co-fondatore di start-up è piuttosto costoso.

Vuole prendersi una pausa per lavorare nell'azienda prima che arrivi il capitale di investimento e il premio in denaro sarà determinante per aiutarlo a farlo. Inoltre, dopo la laurea è necessario un po' di riposo e ricarica!

Ryan difende il suo dottorato di ricerca all'Università della British Columbia nel maggio 2021 e gli auguriamo buona fortuna. Per saperne di più sulla ricerca di Ryan e del suo team, di seguito viene fornita una letteratura selezionata sottoposta a revisione paritaria.

Letteratura selezionata per ulteriori letture:

• Sherbo, RS; Delima, RS; Chiykowski, Virginia; et al. Economia elettronica completa accoppiando l'elettrolisi con l'idrogenazione. Nat. Catal. 2018, 1, 501–507. https://doi.org/10.1038/s41929-018-0083-8

Questo è il primo articolo pubblicato sul reattore Thor.
 

• Sherbo, RS; Kurimoto, A.; marrone, cm; et al. Idrogenazione elettrocatalitica efficiente con un reattore a membrana di palladio. JACS 2019, 141, 7815–782. https://doi.org/10.1021/jacs.9b01442

Thor abilita ~65% in più di reazioni di idrogenazione ad alta efficienza energetica di quanto può essere ottenuto utilizzando i normali metodi di idrogenazione elettrochimica.
 

• Delima, RS; Sherbo, RS; Dvorak, DJ; et al. Architettura del reattore a membrana in palladio supportata per l'idrogenazione elettrocatalitica. J. Mater. Chimica. UN 2019, 7, 26586–26595. https://doi.org/10.1039/c9ta07957b

Questo articolo descrive un progetto per il palladio membrane che utilizza 25 volte meno palladio rispetto alle tradizionali lamine Pd.
 

• Kurimoto, A.; Sherbo, RS; Cao, Y.; et al. Deuterazione elettrolitica di legami insaturi senza l'utilizzo di D₂. Nat. Catal. 2020, 3, 719–726. https://doi.org/10.1038/s41929-020-0488-z

Thor può anche essere usato per deuterare (idrogenare, ma con acqua pesante) molecole organiche. Un video che descrive la tecnologia si trova qui.
 

• Jansonius, RP; Kurimoto, A.; Marelli, AM; et al. Idrogenazione senza H₂ Utilizzo di una cella a flusso a membrana di palladio. La cellula riporta la scienza fisica, 2020, 1, 100105. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100105

Questo articolo mostra un'architettura di cella a flusso scalabile progettata e convalidata, che consente Reazioni di idrogenazione 15 volte più veloci e 2 volte più efficienti.
 

• Huang, A.; Cao, Y.; Delima, RS; et al. L'elettrolisi può essere utilizzata per risolvere i percorsi di idrogenazione sulle superfici di palladio in un reattore a membrana. JACS Au 2021, 1, 336-343. https://doi.org/10.1021/jacsau.0c00051

Thor può anche essere utilizzato per risolvere complessi meccanismi di reazione depositando nanoparticelle sulla superficie della membrana.