Химические вещества и материалы, полученные промышленным путём, необходимы практически для всех аспектов повседневной жизни: от жизненно важных фармацевтических препаратов до пластмасс, топлива и удобрений. Однако производство этих важных химических веществ требует значительных затрат энергии.
Многие из этих промышленных химикатов получают в основном из материалов на основе ископаемого топлива. Эти соединения, как правило, очень стабильны, что затрудняет их преобразование в полезные продукты без применения жёстких и энергоёмких условий реакции.
В результате преобразование этих устойчивых материалов вносит значительный вклад в общее энергопотребление мира. В 2022 году промышленный сектор потребил 37% мировой энергии, а химическая промышленность ответственна примерно за 12% этого спроса.
Традиционные процессы химического производства
Традиционные процессы химического производства используют тепло для получения энергии, необходимой для реакций, протекающих при высоких температурах и давлениях. Подход, в котором вместо тепла используется свет, может снизить потребность в энергии и позволить проводить реакции в более мягких условиях — например, при комнатной температуре, а не при экстремальном нагреве.
Использование солнечного света
Солнечный свет представляет собой один из наиболее распространённых, но недостаточно используемых источников энергии на Земле. В природе эта энергия улавливается посредством фотосинтеза, когда растения преобразуют свет в химическую энергию. Вдохновлённая этим процессом, наша команда химиков из Центра устойчивого фотоокислительного катализа, исследовательского центра, финансируемого Национальным научным фондом, работает над системой, использующей свет для запуска реакций, широко используемых в химической промышленности.
Мы опубликовали наши результаты в журнале Science в июне 2025 года. Мы надеемся, что этот метод может обеспечить более экономичный путь для создания промышленных химикатов из ископаемого топлива. В то же время, поскольку он не зависит от сверхвысоких температур или давлений, процесс безопаснее и снижает вероятность аварий.
Фотоокислительный катализатор
Разработанная нашей командой система фотоокислительного катализа питается от простых светодиодов и эффективно работает при комнатной температуре. В основе нашей системы лежит органический фотоокислительный катализатор — специализированная молекула, которая, как мы знаем, ускоряет химические реакции при воздействии света, не расходуясь при этом.
Подобно тому, как растения используют пигменты для улавливания солнечного света в процессе фотосинтеза, наш фотоокислительный катализатор поглощает несколько частиц света, называемых фотонами, последовательно. Эти фотоны обеспечивают всплески энергии, которые катализатор накапливает, а затем использует для запуска реакций.
Преимущества фотоокислительного катализа
Этот «многофотонный» сбор энергии накапливает достаточно энергии, чтобы заставить очень устойчивые молекулы вступать в реакции, для которых в противном случае потребовались бы высокореактивные металлы. После завершения реакции фотокатализатор сбрасывается, готовый поглощать больше света и поддерживать процесс без создания дополнительных отходов.
Разработка молекул, которые могут поглощать несколько фотонов и вступать в реакцию с устойчивыми молекулами, является сложной задачей. Одна из серьёзных проблем заключается в том, что после поглощения фотона у молекулы остаётся очень мало времени, прежде чем энергия рассеется или будет потеряна. Кроме того, нелегко гарантировать, что молекула использует эту энергию правильно.
Наша работа указывает на будущее, в котором химические вещества будут производиться с использованием света, а не тепла. Например, наш катализатор может превратить бензол — простой компонент сырой нефти — в форму, называемую циклогексадиенами. Это ключевой шаг в создании строительных блоков для нейлона. Улучшение этой части процесса может снизить углеродный след производства нейлона.
Представьте себе производителей, использующих светодиодные реакторы или даже солнечный свет для производства необходимых химикатов. Светодиоды по-прежнему используют электричество, но им требуется гораздо меньше энергии по сравнению с традиционными методами нагрева, используемыми в химическом производстве.
Сейчас мы успешно используем наши фотоокислительные катализаторы в небольших лабораторных экспериментах, производя всего лишь миллиграммы за раз. Но чтобы перейти к коммерческому производству, нам нужно показать, что эти катализаторы могут эффективно работать и в гораздо большем масштабе, производя килограммы или даже тонны продукции. Тестирование их в таких реакциях обеспечит их надёжность и рентабельность для реального химического производства.
Аналогично, масштабирование этого процесса потребует создания крупномасштабных реакторов, эффективно использующих свет. Для этого сначала потребуется разработать новые типы реакторов, которые позволят свету проникать глубже внутрь. Они должны быть более прозрачными или сконструированы иначе, чтобы свет мог легко достигать всех частей реакции.
Наша команда планирует продолжать разработку новых световых технологий, вдохновлённых природной эффективностью. Солнечный свет — это обильный ресурс, и, найдя более совершенные способы его использования, мы надеемся упростить и сделать более чистым производство химикатов и материалов, от которых зависит современная жизнь.