Duurzame reductie reacties in water via in situ waterstofgas productie.

Moleculaire waterstof (H2) is een essentieel reactant in hedendaagse chemie, dat gebruikt wordt in vele industriële processen voor de synthese van zowel bulk- als fijnchemicaliën. Jammer genoeg is de meest gebruikte productiemethode voor waterstof (reforming van methaan) niet duurzaam door de vorming van koolstofdioxide. Bovendien kan op langere termijn toepassing van deze techniek niet gegarandeerd worden door de uitputting van fossiele grondstoffen. Gelukkig zijn er verschillende technisch ver gevorderde alternatieve oplossingen voor (grote schaal) duurzame waterstofproductie, zoals elektrolyse. Echter, de problemen gelinkt aan het veilig werken met en stockeren van waterstof maken dat onmiddellijk gebruik na productie (in situ generering en consumptie) de ideale benadering is voor reacties die gebruik maken van waterstof als reductant in de chemische industrie. Dit vereist preferentieel productie en reactie van waterstof in hetzelfde reactievat, gebaseerd op donor moleculen die geen organische bijproducten genereren. Thermochemische in situ watersplitsing is een zeer attractieve benadering gelet op de beschikbaarheid van water en het interessante profiel als solvent (lage kost, geen milieu-impact, niet toxisch, niet ontvlambaar). Echter de huidige (katalytische) methoden voor thermochemische watersplitsing worden uitgevoerd in de gasfase en vereisen een zeer hoge temperatuur (boven de 600 °C) en vragen daarom zeer veel energie input en zijn niet compatiebel met de meeste organische moleculen (deze zijn niet stabiel bij deze temperaturen). Het hoofddoel van dit project is daarom om thermochemische watersplitsing gecombineerd met het rechtstreekse verbruik van het gegenereerde waterstof, in een gekoppelde reductiereactie (hydrogenatie/hydrogenolyse), bij een lagere temperatuur (200-300 °C) in vloeibaar hoge temperatuur en druk water (HTPW) te realiseren. Bij deze temperaturen veranderen de eigenschappen van water met betere oplosbaarheid van organische substraten tot gevolg – vaak een probleem voor toepassing van water in organische chemie. Ontwikkeling van nieuwe synthesemethoden voor duurzame reductiereacties (nitrogroep reductie, hydrodeaminering, hydrodehydroxylering) van zowel petrochemische als hernieuwbare grondstoffen in HTPW zijn voorzien waarbij waterstof in situ wordt gegenereerd en verbruikt in hetzelfde reactievat. Verschillende thermochemische systemen voor waterstofproductie zullen worden geëvalueerd, gebruikmakend van homogene en heterogene katalysatoren om de vereiste temperaturen te verlagen. De gecombineerde waterstofproductie/-verbruik processen zullen geoptimaliseerd worden door variatie van verschillende parameters (temperatuur, druk, concentratie, katalysatoren en hun lading, katalytische additieven voor waterstofgenerering). Gelet op de verscheidenheid van (niet onafhankelijke) parameters zal een DoE "Design of Experiments (DoE)" benadering worden gebruikt eerder dan een opeenvolgende variatie van elke parameter afzonderlijk. Vermits ontwikkeling en optimalisering van de hoger aangehaalde syntheseroutes een gedetailleerd inzicht in het reactiemechanisme op een moleculair niveau vereisen, zal het mechanisme van zowel de niet-metaalgekatalyseerde reductiereacties en de metaalgekatalyseerde waterstofproductie bestudeerd worden met verschillende experimentele (spectroscopische) en computationele technieken. Voor reacties die gebaseerd zijn op heterogene katalyse zal een zorgvuldige karakterisering van de structuurparameters van de katalysatoren worden uitgevoerd gebruikmakend van verschillende technieken (bv. XRD, UV-DR, Raman spectroscopie).

Trefwoorden:DUURZAME CHEMIE, KATALYSE, WATER, REDUCTIE

Disciplines:Organische chemische synthese