Νανοκαταλύτες με χρυσό θα αντικαταστήσουν τις τοξικές χημικές ουσίες στη βιομηχανία

Πηγή: Nature, 19 Οκτωβρίου 2005

Μικροσκοπικά σωματίδια χρυσού έχουν βοηθήσει να γίνει 'καθαρή' μια σημαντική χημική αντίδραση, που χρησιμοποιείται κάθε ημέρα για να παράγει τόνους φαρμακευτικών ειδών, απορρυπαντικών και πρόσθετων ουσιών για τα τρόφιμα.

Έτσι, τα μικροσκοπικά σωματίδια του χρυσού μπορούν να διαχωρίσουν τα μόρια του οξυγόνου από τον αέρα, και να γίνουν οι αντιδράσεις της οξείδωσης πολύ πιο εύκολα.

Η οξείδωση είναι η διαδικασία κατά την οποία τα άτομα του οξυγόνου ενώνονται  στις ενώσεις του άνθρακα για να δημιουργήσουν χρήσιμα οργανικά προϊόντα. Σε γενικές γραμμές, αυτό μπορεί να γίνει καθαρά, χρησιμοποιώντας το αέριο οξυγόνο από τον αέρα. Αλλά ο χημικός δεσμός που δεσμεύει δύο άτομα οξυγόνου πρέπει να σπάσει έτσι ώστε να είναι ελεύθερα να αντιδράσουν, και αυτό είναι πολύ δύσκολο να γίνει, εξηγεί ο Graham Hutchings, ένας χημικός από το πανεπιστήμιο του Κάρντιφ. Αντίθετα οι περισσότερες αντιδράσεις της οξείδωσης στηρίζονται σε ρυπογόνα οξειδωτικά, όπως είναι το παρακετικό οξύ, το οποίο μπορεί να παραγάγει προϊόντα τοξικών αποβλήτων.

Τελευταία η ομάδα του Hutchings έχει ανακαλύψει έναν τρόπο να καταστήσει την καθαρή διαδικασία ευκολότερη: οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι χρυσά νανοσωματίδια, με το κάθε ένα να είναι ακριβώς 25 nm, μπορεί να ενεργοποιήσει το οξυγόνο από τον αέρα σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες 60 έως 80 Κελσίου και σε πίεση παρόμοια με αυτήν που βρίσκεται στα ελαστικά των αυτοκινήτων.

"Η χημική βιομηχανία θέλει τις χαμηλές θερμοκρασίες επειδή η ενέργεια έχει μεγάλο κόστος", λέει ο Richard Holliday, επικεφαλής του βιομηχανικού τομέα του Παγκόσμιου Συμβουλίου Χρυσού, που προωθεί τη χρήση του χρυσού.

Το ενεργοποιημένο οξυγόνο προστίθεται εύκολα στα μόρια του άνθρακα. Σε πολλές χημικές αντιδράσεις, χρησιμοποιούνται υγρά για να διαλύουν τα αντιδραστήρια και να διευκολύνουν τα άτομα να αντιδράσουν, αλλά το οξυγόνο του αέρα με την ενεργοποίηση του χρυσού μπορεί μερικές φορές να ξεκινήσει τις αντιδράσεις χωρίς τέτοιους διαλύτες.

Η απομάκρυνση των διαλυτών είναι ένας από τους καλύτερους τρόπους να γίνει η βιομηχανική χημεία περισσότερο φιλική προς το περιβάλλον, επισημαίνει ο Hutchings, δεδομένου ότι μειώνει την ποσότητα του υγρού που ενδεχομένως μολύνει και κάπως πρέπει να απομακρυνθεί. "Εάν μπορείτε να κάνετε αντιδράσεις χωρίς το διαλύτη, είναι εγγενώς πιο πράσινη διαδικασία", λέει.

Ο χρυσός είναι κανονικά αδρανής κι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μένει λαμπερός και γίνονται τόσο καλά κοσμήματα. "Αλλά εάν ο χρυσός διαιρεθεί σε μέρη μερικών εκατοντάδων ατόμων, αντιδρά απίστευτα εύκολα", συνεχίζει ο Hutchings.

Στην κατάλυση, τα νανοσωματίδια του χρυσού είναι κολλημένα πάνω σε μεγαλύτερους κόκκους του άνθρακα, και ο Hutchings πιστεύει ότι η περιοχή που καταλύει την αντίδραση της οξείδωσης γίνεται στην περιοχή ανάμεσα στα δύο υλικά. Η ομάδα χρησιμοποίησε το βισμούθιο για να συντονίσει τη δραστηριότητα του καταλύτη χρυσού με το μπλοκάρισμα ορισμένων περιοχών στην επιφάνειά του.

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι ο καταλύτης ήταν ιδιαίτερα καλός στην κατασκευή των εποξειδίων, όπου ένα άτομο οξυγόνου ενώνει δύο άτομα άνθρακα.

"Τα εποξείδια είναι πολύτιμες χημικές ουσίες, αλλά δεν είναι εύκολο να κατασκευαστούν", αναφέρει ο Hutchings. Η καθαρότερη μέθοδος που είναι σε χρήση αυτήν την περίοδο στηρίζεται στο υπεροξείδιο του υδρογόνου, που χρησιμοποιείται συνήθως ως αντισηπτικό. Αν και αυτό είναι σχετικά καθαρό, ο Hutchings υπολογίζει ότι ως πηγή οξυγόνου είναι οκτώ φορές πιο ακριβή από το να χρησιμοποιήσουμε τον αέρα.

Άλλα πολύτιμα μέταλλα, όπως είναι το παλλάδιο, χρησιμοποιούνται ευρέως τώρα στις χημικές διαδικασίες, αλλά ο χρυσός φαίνεται να είναι πιο ευπροσάρμοστος, συμπληρώνει ο Masatake Haruta, ένας χημικός στο Μητροπολιτικό Πανεπιστήμιο του Τόκιο στην Ιαπωνία.

Η ομάδα συνεργάστηκε με τη Λονδρέζικη χημική επιχείρηση Johnson Matthey.