Reaksionet e fuqizuara nga drita mund të bëjnë industrinë kimike më efikase në energji

Kimikatet dhe materialet e prodhuara janë të nevojshme për pothuajse çdo aspekt të jetës së përditshme, nga farmaceutikët jetës-ruajtës deri te plastika, karburantet dhe plehrat. Megjithatë, prodhimi i këtyre kimikateve të rëndësishme vjen me një kosto të lartë energjetike.

Shumica e këtyre kimikateve industriale rrjedhin kryesisht nga materialet e bazuara në karburant fosil. Këto përbërje janë zakonisht shumë të qëndrueshme, duke e bërë të vështirë t’i transformosh në produkte të dobishme pa aplikuar kushte të ashpra dhe kërkuese për energji.

Si rezultat, transformimi i këtyre materialeve të ngurta kontribuon ndjeshëm në përdorimin global të energjisë. Në vitin 2022, sektori industrial konsumoi 37% të energjisë totale të botës, me industrinë kimike përgjegjëse për rreth 12% të kësaj kërkese.

Proceset tradicionale të prodhimit kimik përdorin nxehtësi për të gjeneruar energjinë e nevojshme për reaksionet që ndodhin në temperatura dhe presione të larta. Një qasje që përdor dritën në vend të nxehtësisë mund të ulë kërkesat për energji dhe të lejojë që reaksionet të kryhen nën kushte më të buta — si në temperaturë ambienti në vend të nxehtësisë ekstreme.

Drita e diellit përfaqëson një nga burimet më të shumta të energjisë, por të pakëta në përdorim në Tokë. Në natyrë, kjo energji kapet përmes fotosintezës, ku bimët shndërrojnë dritën në energji kimike. I frymëzuar nga ky proces, ekipi ynë i kimistëve në Qendra për Katalizën Fotoredoks të Qëndrueshëm, një qendër kërkimore e financuar nga Fondi Kombëtar i Shkencës, ka punuar në një sistem që përdor dritën për të fuqizuar reaksione të zakonshme në industrinë e prodhimit kimik. Ne kemi publikuar rezultatet tonakontrollo lidhjen në revistën Science në qershor 2025.

Shpresojmë që ky metodë të mund të ofrojë një rrugë më ekonomike për krijimin e kimikateve industriale nga karburantet fosile. Në të njëjtën kohë, pasi nuk varet nga temperatura ose presione shumë të larta, procesi është më i sigurt, me më pak mundësi për aksidente.

Si funksionon sistemi ynë?

Sistemi katalitës fotoredoks që kemi zhvilluar ekipoa jonë është i fuqizuar nga LED-et e thjeshta, dhe funksionon në mënyrë efikase në temperaturën e dhomës.

Në qendër të sistemit tonë është një katalizator organik fotoredoks: një molekulë e veçantë që e dimë se shpejton reaksionet kimike kur ekspozohet ndaj dritës, pa u konsumuar në proces.

Ashtu si bimët varen nga pigmentet për të mbledhur dritën e diellit për fotosintezën, katalizatori ynë fotoredoks absorbjon shumë grimca drite, të quajtura fotone, në një sekuencë.

Këta fotone sigurojnë shpërthime energjie, të cilat katalizatori i ruan dhe pastaj i përdor për të filluar reaksionet. Kjo “multi-foton” mbledhje ndërton mjaftueshëm energji për të detyruar molekulat shumë të ngurta të përfshihen në reaksione që përndryshe do të kërkonin metalë shumë reaktivë. Pasi reaksioni përfundojë, fotokatalizatori rivendos veten, i gatshëm për të mbledhur më shumë dritë dhe për të vazhduar procesin pa krijuar mbetje shtesë.

Dizajnimi i molekulave që mund të thithin shumë fotone dhe të reagojnë me molekula shumë të ngurta është sfidues. Një sfidë e madhe është se pas thithjes së një fotoni nga një molekulë, ajo ka vetëm një dritare të vogël kohe para se energjia të zhduket ose të humbasë. Për më tepër, sigurimi që molekula të përdorë atë energji në mënyrën e duhur nuk është e lehtë. Lajmi i mirë është se kemi zbuluar që katalizatori ynë mund ta bëjë këtë në mënyrë efikase në temperaturë dhome.

Lehtësimi i prodhimit më të gjelbër kimik

Puna jonë tregon drejt një të ardhmeje ku kimikatet prodhohen duke përdorur dritën në vend të nxehtësisë. Për shembull, katalizatori ynë mund të kthejë benzene — një përbërës i thjeshtë i naftës së papërpunuar — në një formë të quajtur ciklohexadiene. Ky është një hap kyç në prodhimin e bërësve për nylon. Përmirësimi i këtij hapi mund të ulë gjurmën e karbonit të prodhimit të nylonit.

Imagjinoni prodhuesit duke përdorur reaktorë LED ose edhe diellin për të fuqizuar prodhimin e kimikateve thelbësore. LED-të ende përdorin energji elektrike, por ato kërkojnë shumë më pak energji në krahasim me metodat tradicionale të nxehtësisë të përdorura në prodhimin kimik. Ndërsa rritemi, po gjejmë gjithashtu mënyra për të shfrytëzuar direkt diellin, duke bërë që i gjithë procesi të jetë edhe më i qëndrueshëm dhe energjetikisht efikas.

Aktualisht, ne po përdorim suksesshëm katalizatorët tanë fotoredoks në eksperimente të vogla laboratorike — duke prodhuar vetëm miligramë në një kohë. Por për të kaluar në prodhimin komercial, do të duhet të tregojmë se këta katalizatorë mund të punojnë gjithashtu në mënyrë efikase në shkallë shumë më të madhe, duke prodhuar kilogramë ose madje tonelata produkti. Testimi i tyre në këto reagime më të mëdha do të sigurojë që ata janë të besueshëm dhe ekonomikë mjaftueshëm për prodhimin kimik në botën reale.

Në mënyrë të ngjashme, zgjerimi i këtij procesi do të kërkonte reaktorë në shkallë të madhe që përdorin dritën në mënyrë efikase. Ndërtimi i tyre do të kërkojë së pari dizajnimin e llojeve të reja të reaktorëve që lejojnë dritën të arrijë më thellë brenda. Ata do të duhet të jenë më transparentë ose të ndërtuar ndryshe në mënyrë që drita të mund të arrijë lehtësisht në të gjitha pjesët e reaksionit.

Ekipa jonë planifikon të vazhdojë zhvillimin e teknikave të reja të drejtuara nga drita, të frymëzuara nga efikasiteti i natyrës. Rrezatimi diellor është një burim i bollshëm, dhe duke gjetur mënyra më të mira për ta shfrytëzuar atë, shpresojmë ta bëjmë më të lehtë dhe më të pastër prodhimin e kimikateve dhe materialeve që jeta moderne varet prej tyre.