全球約10-15% 的溫室氣體排放來自化學生產。此外，化工廠消耗的能源佔全球能源消耗的10%以上。化學工業面臨著改變未來化學過程的”無與倫比的可能性”。研究人員對一種新技術進行了測試，他們希望這種技術能取代20 世紀初的能源密集型化學工程工藝，而液態金屬可能是人們期待已久的”綠化”化學工業的解決方案。

一種利用液態金屬作為催化劑的新技術可望實現低溫、節能的化學反應，減少溫室氣體排放和能源消耗，為化學工業帶來革命。上圖為培養皿中的液態鎵。圖片來源：雪梨大學/菲利普-里奇

最近發表在《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上的研究成果提供了一種亟需的創新方法，摒棄了由固體材料製成的老式高能耗催化劑。這項研究由雪梨大學化學與生物分子工程學院院長庫羅什-卡蘭塔爾-扎德（Kourosh Kalantar-Zadeh）教授和在雪梨大學和新南威爾斯大學共同工作的唐俊馬（Junma Tang ）博士領導。

利用液態鎵生成丙烯。資料來源：Junma Tang 博士

催化劑是一種在不參與反應的情況下使化學反應更快、更容易發生的物質。固態催化劑通常是固態金屬或固態金屬化合物，在化學工業中常用於製造塑膠、化學肥料、燃料和原料。

然而，使用固體製程生產化學品需要消耗大量能源，溫度高達攝氏一千度。新製程使用液態金屬，在這種情況下，溶解錫和鎳使它們具有獨特的流動性，使它們能夠遷移到液態金屬表面，並與菜籽油等輸入分子反應。這樣，菜籽油分子就會旋轉、破碎並重新組合成更小的有機鏈，包括對許多產業至關重要的高能量燃料丙烯。

透過注射器將液態鎵放入培養皿中。圖片來源：雪梨大學/菲利普-里奇

卡蘭塔爾-扎德教授說：”我們的方法為化學工業降低能耗、綠化化學反應提供了無與倫比的可能性。預計到2050 年，化學工業的排放量將超過20%，”Kalantar-Zadeh教授說。”但與其他行業相比，化學製造業的能見度要低得多–模式轉變至關重要。”

與固體相比，液態金屬中的原子排列更隨機，運動自由度更大。這使得它們很容易接觸並參與化學反應。從理論上講，它們可以在更低的溫度下催化化學反應，這意味著它們需要的能量要少得多。

在研究中，作者將高熔點鎳和錫溶解在熔點僅為30 攝氏度的鎵基液態金屬中。

Junma Tang 博士（左）、Arifur Ra​​him 博士（中）和Kourosh Kalantar-Zadeh 教授（右）。圖片來源：雪梨大學/菲利普-里奇

“將鎳溶解在液態鎵中，我們可以在極低的溫度下獲得液態鎳–充當’超級’催化劑’。相比之下，固態鎳的熔點為1455 攝氏度。液態鎵中的金屬錫也有同樣的效果，只是程度較輕，”Tang 博士說。

這些金屬在液態金屬溶劑中進行了原子級分散。因此，我們可以使用單原子催化劑。化學與生物分子工程學院的資深作者兼DECRA 研究員Arifur Ra​​him 博士說：”單原子是可用於催化的最高表面積，這為化學工業提供了顯著的優勢。”

研究人員說，透過使用低溫工藝混合金屬，他們的配方還可用於其他化學反應。它需要如此低的溫度來催化，理論上我們甚至可以在廚房的瓦斯爐上做到這一點–但請不要在家裡嘗試。

編譯來源：ScitechDaily