Spora część nowoczesnego przemysłu chemicznego nadal opiera się na katalizatorach, których są drogie oraz trudne w pozyskaniu. Właśnie dlatego informacja o nowej strukturze aluminium, stworzonej w laboratorium King’s College London, jest ciekawa. Nie jest to gotowy “zamiennik platyny”, ale sygnał, że da się przesunąć granicę tego, do czego zdolne są tzw. pierwiastki główne układu okresowego. Aktualnie nie jest to jeszcze historia o natychmiastowej rewolucji w fabrykach, a raczej opowieść o tym, że chemicy dostali do ręki narzędzie, które może otworzyć drogę do tańszych i potencjalnie czystszych procesów. Potencjalnie, bo tu właśnie zaczynają się schody.
Jak nowa struktura aluminium może zmienić nasz świat?
Badacze z zespołu dr Clare Bakewell opisali w Nature Communications związek nazwany “neutral cyclic aluminium (I) trimer”, czyli neutralny cykliczny trimer glinu(I). W praktyce chodzi o układ trzech atomów aluminium połączonych w trójkąt, co stanowi pierwszy opisany przypadek tzw. cyklotriglinu (cyclotrialumane). W komunikacie uczelni podkreślono, że ta trójatomowa struktura zachowuje się nietypowo jak na aluminium, bo jest na tyle stabilna, by przetrwać w roztworach, a jednocześnie na tyle reaktywna, by wchodzić w reakcje, które zwykle kojarzymy z metalami przejściowymi.
Czytaj też: Mniejszy niż ziarnko piasku. Zrobili najmniejszy piksel świata dla ekranów przyszłości
Żeby zrozumieć, dlaczego to w ogóle robi wrażenie, trzeba zahaczyć o utarte wyobrażenie aluminium. W codziennej chemii glin najczęściej występuje w konkretnym stopniu utlenienia i zachowuje się jak klasyczny, dość przewidywalny “kwas Lewisa”, bo lubi przyjmować elektrony, budować wiązania z tlenem, fluorowcami, stabilizować różne układy. Tymczasem glin(I) to zupełnie inna bestia, bo jego stan niskiego utlenienia bywa termodynamicznie niewygodny, trudny do izolacji i często kończy się reakcjami ubocznymi. Właśnie dlatego rozwój chemii niskich stopni utlenienia aluminium przez lata szedł wolniej niż analogiczne zabawy metalami przejściowymi.
To sprawia, że trójkątny trimer aluminium(I) jest interesujący z dwóch powodów naraz. Po pierwsze, sam fakt, że taka forma da się utrzymać i opisać, poszerza mapę tego, jakie struktury aluminium w ogóle potrafi tworzyć. Po drugie, z punktu widzenia praktycznego, zespół potwierdził jego rolę w konkretnych reakcjach, które obejmują rozszczepianie cząsteczki wodoru (H2) oraz stopniową insercję i “wzrost łańcucha” z udziałem etenu, a więc jednego z fundamentalnych budulców przemysłu chemicznego. W reakcji z nim powstają zresztą nowe, pięcio- i siedmioczłonowe pierścienie aluminium i węgla.
Czytaj też: Największe kłamstwo transformacji energetycznej. Czy wreszcie znaleźliśmy ratunek?
Czy więc “aluminium zastąpi metale ziem rzadkich”? Niestety to nie takie proste. Po pierwsze, “metale ziem rzadkich” to konkretna grupa 17 pierwiastków (skand, itr i lantanowce), a platyna czy pallad do niej nie należą. Po drugie, sama publikacja i komunikat uczelni celują raczej w obszar katalizy i syntezy chemicznej, gdzie dziś królują metale przejściowe i metale szlachetne. Walka jest jednak warta świeczki, bo w samym komunikacie naukowców pada sugestia, że aluminium jest około 20000 razy tańsze od metali szlachetnych. Pamiętajmy jednak, że w realnym katalizatorze płaci się nie tylko za atom metalu, ale za ligandy, syntezę, oczyszczanie, stabilizację i żywotność w procesie.
Czas na aluminiową rewolucję numer dwa?
Czy więc “nowe aluminium” zmieni nasz świat? Na ten moment trudno to przewidzieć, bo sami autorzy ustawiają narrację ostrożnie, mówiąc o fazie eksploracyjnej i o otwieraniu nowych ścieżek reaktywności. Jest to rozsądne, bo przemysł nie kupuje “reaktywności”, a powtarzalność, selektywność, tolerancję na zanieczyszczenia i tysiące cykli pracy bez degradacji. Cząsteczka, która robi imponujące rzeczy w kontrolowanych warunkach, może okazać się kapryśna w obecności śladowej wody, tlenu albo domieszek typowych dla procesów przemysłowych.
W tym wszystkim jest jeszcze drugi haczyk – aluminium jest powszechne, ale jego produkcja pierwotna jest energochłonna. Dominujący proces wytopu działa w temperaturach rzędu 940-980°C i zużywa ogromne ilości energii elektrycznej, a ślad węglowy zależy mocno od miksu energetycznego. Dlatego “tańsze i bardziej ekologiczne” może być prawdą dopiero w konkretnym scenariuszu, bo gdy aluminium pochodzi w dużej mierze z recyklingu i gdy cały proces chemiczny realnie pozwala ograniczyć użycie metali, których wydobycie i rafinacja są szczególnie obciążające środowiskowo.
Czytaj też: Meble z dwóch części i bez śrub. Niemcy pokazali coś, co może wywrócić rynek do góry nogami
Co więc warto wynieść z tej historii? Na pewno nie obietnicę tego, że aluminium jutro zastąpi platynę w każdej reakcji. Należy jednak docenić zmianę sposobu myślenia, bo metal, który kojarzymy z folią kuchenną i lekkimi stopami, może stać się projektowanym narzędziem do cięcia i składania wiązań chemicznych w kontrolowany sposób. Na razie jednak to wciąż początek, a nie finał.
Źródła: Nature, King’s College London
