马萨诸塞州剑桥 - 全球能源消耗的最大来源是塑料，铁和钢等产品的工业制造。制造这些材料不仅需要大量的能量，而且许多反应也直接排放二氧化碳作为副产物。
为了帮助减少能源消耗和相关排放，麻省理工学院化学工程师设计了一种合成环氧化物的替代方法，环氧化物是一种用于制造各种产品的化学品，包括塑料，药品和纺织品。他们使用电来进行反应的新方法可以在室温和大气压下进行，同时消除二氧化碳作为副产物。
“经常没有意识到的是工业能源的使用远远大于运输或住宅的使用。这是房间里的大象，在减少工业能源消耗方面技术进步很少，” Karthish Manthiram，化学工程助理教授，新研究的高级作者。
研究人员已就其技术申请了专利，他们现在致力于提高合成的效率，使其适用于大规模的工业用途。麻省理工学院博士后Kyoungsuk Jin是该论文的主要作者，该论文于4月9日在线发表在美国化学学会杂志上。其他作者包括研究生Joseph Maalouf，Nikifar Lazouski和Nathan Corbin，以及博士后邓登阳。
无处不在的化学品
环氧化物的关键化学特征是由两个碳原子结合的氧原子组成的三元环，用于制造各种产品，如防冻剂，洗涤剂和聚酯。
“如果没有接触或感觉或穿着其历史上某些环节中涉及环氧化物的东西，即使是短暂的一生也是不可能的。它们无处不在，”Manthiram说。“他们在很多不同的地方，但我们往往不考虑嵌入式能源和二氧化碳足迹。”
几种环氧化物属于具有顶部碳足迹的化学物质。一种常见的环氧化物环氧乙烷的产生产生任何化学产品的第五大二氧化碳排放。
制造环氧化物需要许多化学步骤，并且其中大多数是非常耗能的。例如，用于将氧原子连接到乙烯上，产生环氧乙烷的反应必须在接近300摄氏度和比大气压高20倍的压力下进行。此外，用于为这种制造提供动力的大部分能源来自化石燃料。
增加碳足迹，用于生产环氧乙烷的反应也产生二氧化碳作为副产物，其释放到大气中。其他环氧化物是使用更复杂的方法制造的，其中涉及可能具有爆炸性的危险过氧化物和可能引起皮肤刺激的氢氧化钙。
为了提出一种更可持续的方法，麻省理工学院的团队从一种被称为水氧化的反应中获得灵感，水氧化利用电能将水分解为氧气，质子和电子。他们决定尝试进行水氧化，然后将氧原子连接到称为烯烃的有机化合物上，烯烃是环氧化物的前体。
Manthiram说，这是一种违反直觉的方法，因为烯烃和水通常不会相互反应。然而，当施加电压时，它们可以彼此反应。
为了利用这一点，麻省理工学院的团队设计了一个带阳极的反应堆，其中水分解为氧气，氢离子(质子)和电子。氧化锰纳米颗粒充当催化剂以帮助该反应，并将氧气引入烯烃中以制备环氧化物。质子和电子流向阴极，在那里它们被转换成氢气。
在热力学上，该反应仅需要大约1伏的电力，小于标准AA电池的电压。该反应不产生任何二氧化碳，研究人员预计，他们可以通过使用太阳能或风能等可再生能源的电力来进一步减少碳足迹，从而为环氧化物的转化提供动力。
扩大
到目前为止，研究人员已经证明他们可以使用这种方法制造一种叫做环辛烯氧化物的环氧化物，他们现在正在努力使其适应其他环氧化物。他们还试图将烯烃转化为环氧化物更有效 - 在这项研究中，大约30%的电流进入转化反应，但他们希望将其加倍。
他们估计，如果按比例增加，他们的工艺可以每吨900美元的成本生产环氧乙烷，而使用现有方法则为每吨1,500美元。随着过程变得更有效，可以进一步降低成本。另一个可能有助于这种方法的经济可行性的因素是它还产生氢气作为副产品，这本身就有助于为燃料电池提供动力。
研究人员计划继续开发该技术，希望最终将其商业化用于工业用途，并且他们还致力于利用电力合成其他种类的化学品。
“有许多工艺具有巨大的二氧化碳足迹，脱碳可以通过电气化来驱动，”Manthiram说。“人们可以消除温度，消除压力，改用电压。”
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