המעבר מכלכלת "המראה-העיצוב" ליניארית למודל מעגלי, שמנצל כל הזמן, מחזורים, וחידוש החומרים הוא אחד השינויים התעשייתיים המשמעותיים ביותר של המאה העשרים ואחת, בלב הטרנספורמציה הזו, הוא שיתוק – המדע של שיפור תגובות כימיות בר-קיימא ללא היותו נצרך בתהליך.

מגמות מתפתחות בפיתוח Catalyst

מחקר Catalyst הוא מהתמקדות ייחודית בפעילות וסלקטיביות כלפי קבוצה רחבה יותר של קריטריונים ביצועים התואמים עם עקרונות כלכלה מעגליים: עמידות, חידוש, רעילות נמוכה, וסוף החיים של מחזוריות. 3 מגמות עיקריות מעצבים מחדש את הנוף: עליית זרזים מבוססי-ביו, היישום של ננוטכנולוגיה כדי ליצור זרזים ננו-מבנים יעילים מאוד, ופיתוח של כתובות אלקטרו-טקיות המאפשרות שונות של חיבורי-מתכת.

Catalysts

זרזים המבוססים על הביולוגית – כולל אנזימים, ביוקטאליסיסטים שלמים, חלבונים מעצבים – מעבר לתוואי עוצמתי לכימיה בת קיימא.דמנקום ממקורות ביולוגיים, זרזים אלה פועלים בתנאים קלים (טמפרטורה גלקטית, pH נייטרלי, לחץ אטמוספרי), צמצום דרמטי של צריכת האנרגיה והימנעות מפתרוןים קשים או מתכות רעילות.

יישומים תעשייתיים כבר מפגינים את הפוטנציאל של ביוקטאליזה.לדוגמה, אנזימים מהונדסים משמשים באופן מסחרי לייצור פולימרים מבוססי-ביו כגון חומצה פולית (חומצה פולית) ולדהום את הפלסטיקים PET לתוך המנומרים שלהם עבור רדירציה ישירה, כמו Carbios פיתחה תהליכי מיחזור אנזימים אשר שוברים פסולת פלסטיק מעורבת לחומרים דמויי-בת, המאפשרים:

במבט קדימה, התקדמות באבולוציה מכוונת ועיצוב חלבון חישובי הם מאיצים את התגלית של biocatalysts עם יציבות מוגברת, היקף תת-קרקעי רחב יותר, והתנגדות לתנאים תעשייתיים.כלים אלה יהפכו זרזים המבוססים על ביולוגית יותר תחרותי עם זרזי מתכת מסורתיים, במיוחד עבור סינתזה כימית בסדר, תרופות ביניים, ייצור פולימרים מיוחד.

Catalysts

ננוטכנולוגיה מאפשרת את ההנדסה המדויקת של אדריכלות זרז בקנה מידה אטומי או מולקולרי.נונו זרזים - כולל חלקיקים מתכת, nanowires, zeolite מסגרות, ומסגרות אורגניות מתכת (MOFs) - כולל צינורות גבוהה במיוחד משטח גבוה אל-קוטמים, אתרי פעילות טונה, ותכונות אלקטרוניות ייחודיות שיכולים לשפר את שיעורי התגובה והתכונות האלקטרוניות האלה הן תכונות קריטיות עבור תהליכים מעגליים או חלקיקים (חומרים) כגון חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים קצרים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) כגון חומרים קצרים או חומריים) עם חומרים מסוכנים (חומריים) כגון חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומריים) עם חומרים מסוכנים (חומריים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים עם חומרים מסוכנים (חומרים זעירים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים זעירים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) עם חומרים מסוכנים (חומרים זעירים) עם חומרים מסוכנים (חומרים) כגון חומרים מסוכנים (חומר

(ב) אזור מבטיח במיוחד הוא השימוש בזרז חד-אטומי, שבו אטומי מתכת מבודדים מפוזרים על תמיכה, למקסם את יעילות האטום ולעתים קרובות להשיג פעילויות דומות לזרז הומוגני תוך שמירה על ההתאוששות של מערכות הטרוגניות של 3.000 אלה להפחית את הצורך מתכות נדירות או רעילות - תרומה ישירה ויעילות משאבים בקבוצות מחקר מעגליות הראו חד-אטומיות חד-פעמיות עבור מימן-חמצני והפחתה חד-חמצני:

זרזים ממונו גם ללוות את עצמם לתכנון מחזור.לדוגמה, חלקיקים מגנטיים יכולים להיות התאושש תערובת תגובה באמצעות שדה מגנטי חיצוני, חיסול של צעדים סינון וצמצום הפסולת.בנוסף, החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים זרזים של עצמו-העצמים-חומרים ממובנים שיכולים לתקן אתרים פעילים לאחר הדה-התמהפכה - מושג שמרחיב את חיי זרז ומפחית את תדירות ההחלפה, עם מטרות מעגליות נוספות.

אלקטרוקטאליסטס עבור אנרגיה

ככל שחשמל מתחדש הופך זול יותר ויותר בשפע, תהליכים כימיים חשמליים חשמליים מציעים דרך ישירה לדה-פחמן בתעשייה.אלקטרוקטאליסיסטים להקל על תגובות בממשק של אלקטרודה ואלקטרוליט, המרת אנרגיה חשמלית לאיגרות חוב כימיות.תגובות מפתח כוללות את ההפחתה האלקטרוכימית של פחמן דו-חמצני (CO2) לדלקים וכימיקלים, מים מחולקים לייצור מימן, וחנקן לחיסון – כל מה שיכול להשתמש ביעילות כפסולת חומרים מסוכנים.

פריצות דרך האחרונות בעיצוב אלקטרוקטאליסט התמקדו מתכות לא ידועות, כגון ניקל, ברזל, קובלט, molybdenum, להחליף מתכות קבוצות פלטינה יקרות. עבור הפחתה CO2, זרזים מבוססי נחושת מראים הבטחה לייצר מוצרים רב פחמן כמו ethylenelene ו ethanol, אשר הם מבשרי פלסטיק ודלקים.

המעגליות של אלקטרוקטאליות היא כפולה: התהליך עצמו משתמש בפסולת CO2 או מים כקלטים, ואת חומרי הזרז ניתן לשחזר משקעים אלקטרודות באמצעות טכניקות מחזור הידרומטריות.מחקר לתוך התחדשות זרז - שיקום פעילות לאחר השפלה - הוא אזור פעיל, עם אסטרטגיות כגון שיקום אלקטרוכימי או נשטבת מראה הצלחה בהפגנות בקנה מידה מעבדה: FLT2: FLT2: 1.103:

אתגרים והזדמנויות

למרות ההבטחה הטכנית, תרגום זרזים חדשניים מהמעבדה לתהליכים מעגליים מסחריים ניצב בפני מכשולים משמעותיים.שלושה אתגרים קשורים זה לזה שולטים: יכולת דרוג, מחזוריות והתחדשות של הזרז עצמו, ואת הצורך במסגרות רגולטוריות וכלכליות תומך.כתובת אתגרים אלה ידרוש מאמץ מתואמת על פני חומרים מדעיים, הנדסה כימית, מדיניות, תעשייה.

סקלאלה ועלויות

זרזים מתקדמים רבים - בעיקר bio-based ו- nanostructured זנים - הם מסונתז באמצעות תהליכים רב-שלביים שקשה בקנה מידה כלכלי. ייצור אנזומטי כרוך לעתים קרובות תסיסה יקרה וצעדי טיהור; זרזים nanostructured עשוי לדרוש שליטה מדויקת של מורפולוגיה כי הוא מאתגר לשמור על קילוגרם או קנה מידה.

כדי להתגבר על זה, החוקרים מפתחים נתיבי סינתזה מקיפים כגון שיטות זרימה רצופים לייצור חלקיקים, בתנו אי-יציבות של אנזימים על תמיכה תעשייתית, והשימוש מתכות מכוסות אדמה בתצורה חד-אטומית.תהליך intensification - שילוב של מספר שלבים ליחידה אחת - יכול גם להפחית את ההוצאות הון.

מנוף כלכלי נוסף הוא העלות הכוללת של בעלות על החיים של הזרז. זרז שעולה פי שניים אבל נמשך שלוש פעמים יותר ויכול להיות מתוחזר על האתר עשוי להיות יעיל יותר מאשר חלופה זולה, קצרה יותר. , פרמטרים של הכלכלה הצרית כגון יעילות משאבים, צמצום פסולת, טביעת רגל פחמן ניתן לגרור ניתוחים מתאימים עלות, אך מתודולוגיות סטנדרטיות עדיין מתפתחות.

Recyclability and Regeneration

עבור זרז להתאים במודל מעגלי, זה חייב להיות מחלים וניתן לשחזר - או ביודיד עם השפעה סביבתית מינימלית. זרז הומוגני (המסתים במדיום התגובה) מציב אתגר מסוים כי הם קשה להפריד בין מוצרים.אסטרטגיות כוללות אי-יציבות זרזי pH הומוגניים על תמיכה מוצקה, באמצעות מערכות דו-פציסטיות שבו הזרז שוכן בשלב נפרד, או "מדומים" על שינוי טרום-גופי.

(הזרזים הטרוגניים, בעוד קל יותר להתאושש על ידי סינון, סימנטציה, או הפרדה מגנטית, בסופו של דבר מתפוגגת עקב שיבוש, הזנחה או הרעלה. טכניקות התחדשות - כגון כביסה, calcination, או טיפול כימי - יכול לשחזר פעילות ולהרחיב את חיי הזרז האחרונים בזריזות עצמיות, שבו מינים פעילים אדומים לאחר פירוק באופן ספונטני, למשל, תגובה עצמית של 1Fic) יכולה להיות מבוססת על ידי זרז:

שיקולי סוף-חיים חשובים באותה מידה.באופן אידיאלי, חומרי זרז יכולים להיות התאוששו ומחזרים לזרזים חדשים או מוצרים אחרים.עבור מתכות יקרות, תהליכים מחוסנים מבוססים קיימים, אך עבור מתכות בסיס וביו-קטאליסיסטים אורגניים, מסלולים מיחזור הם פחות בוגרים.

תגמול וכלכלה

אימוץ שוק של זרזי-כלכלה מעגליים תלוי לא רק בביצועים טכניים אלא גם בנהגים למדיניות.מחיר פחמן, תוכניות אחריות יצרנים מורחבות, ומנדטים לתוכן ממוחזר בפלסטיקים וכימיקלים יכולים ליצור משיכה כלכלית עבור זרזים חדשניים.לדוגמה, תוכנית הפעולה של האיחוד האירופי כלכלה מעגלית ו-Green Deal מציבה מטרות שאפתניות להפחתת פסולת ועלייה בשיעורי מחזור, אשר מעוררות באופן עקיף את הביקוש לזרזים לזרזים איכותיים המאפשרים זרזים של מחזוריים.

עם זאת, מסגרות רגולטוריות עבור "ירוק" זרז עדיין בולטות. הגדרות ברורות ותעודות - כגון האיחוד האירופי ecolabel למוצרים כימיים - יכול לעזור להבדיל זרזים בר קיימא.בנוסף, תוכניות מחקר במימון ממשלתי ושותפויות ציבוריות-פרטיות (למשל, יוזמת הקטליטית של חיל האוויר בהולנד) הן חיוניות לפירוק טכנולוגיות מוקדמות-סיכון ומיזוג "התמותה"משוק המעבדה" בין מעבדה למעבדה.

תחזית עתיד

ההתכנסות של כלים דיגיטליים, חומרים מתקדמים, חשיבה בכלכלה מעגלית מכוונת להאיץ את התפתחות הזרז באופן דרמטי.בעשור הבא, אנו יכולים לצפות לראות את השילוב של בינה מלאכותית בגילוי, עלייה של פרדיגמות ייצור חכמות המייעלות את השימוש בזרז בזמן אמת, ומאמצים משותפים על פני המגזרים כדי להתאים חדשנות עם מדדים מעגליים.

תפקיד של בינה מלאכותית ולמידה של מכונות

ניסויים במכונות גבוהה ולמידה של מכונות (ML) משנים את קצב גילוי הזרז.במקום להסתמך רק על ניסוי-וטרור או serendipity, החוקרים יכולים להכשיר מודלים של ML על נתונים גדולים של תוצאות תגובה, תכונות זרז, ותנאי תהליך כדי לחזות אילו ניסוחים הם כנראה יצליחו.מודלים אלה יכולים למסך מיליוני מבנים היפותטיים - כולל תצורה מבוססת-ביו, ננו-נו-קויים, ומועמדים מבטיחים, תצורה, נוסחאות, נוסחאות, מוטציות, , מוטציות, מוטציות, מוטציות, מוטציות ומועמדים, , , מוטציות ומועמדים מתמקדים ביותר.

AI גם עוזר בתכנון של מחזוריות זרז.על ידי ניתוח מסלולים השפלה, אלגוריתמי ML יכולים להציע שינויים, כגון ציפוי מגן או מוטיבים מבניים, להאריך את החיים זרז יתר, ניטור מקוון בשילוב עם למידת מכונה מאפשר בקרת תהליכים הסתגלות: כור יכול להתאים תנאים כדי לשמור על פעילות זרז או לעורר מחזורי התחדשות, למקסם את החיים היעילים של זרז ומצמצם את זמן.

מסדי נתונים פתוחים כמו Catalysis Hub ו-The Materials Project מספקים את הנתונים הבסיסיים הדרושים כדי להכשיר מודלים חזקים.כפי שהנתונים נוספים הופכים לזמינים הן מהאקדמיה והן בתעשייה, הכוח הנבא של כלים אלה רק יעלה, עלול להפחית את הזמן לפתח זרז מסחרי חדש בשנים עד חודשים:0 אבולוציה:0.5FLT:2ure: 2,3.

שילוב עם ייצור חכם

הכלכלה המעגלית של העתיד לא תסתמך על תהליכים בודדים אלא גם על רשתות מקושרות של ייצור, הצריכה וההחלמה. Catalysts חייב להיות מתוכנן לא רק עבור התגובה העיקרית שלהם, אלא גם על תאימות עם פעילות יחידת upstream ו downstream. - שימוש בחיישנים, מכשירי IoT וניתוח נתונים - יכול לעקוב אחר ביצועי זרז, זיהוי מוקדם, ואופטימיזציה של לוחות הזמנים.

לדוגמה, במתקן מחזור פלסטי, זרז המשמש ל depolymerization עשוי לגרוע על אצילות מוצלחות.על ידי מדידה של קצב תגובה בזמן אמת ורמות תנופה, המערכת יכולה לחזות מתי התחדשות היא צורך ובאופן אוטומטי ליזום פרוטוקול ניקוי.זה "בדיוק בזמן" תחזוקה מפחיתה פסולת של חומרים זרז ומבטיח איכות מוצר עקבי.

הרעיון התאומה הדיגיטלי – יצירת העתק וירטואלי של תהליך כימי – מאפשר למהנדסים לדמות את אסטרטגיות ההתחדשות של זרז, בדיקות ואופטימיזציה של תנאי הפעלה ללא הפרעה ייצור.מודלים כאלה יכולים גם לשלב מדדים כלכליים וסביבתיים, המאפשרים ניתוחים לסחר-off כי עיצוב תהליך היגוי לקראת מעגליות.

מדיניות ושיתוף פעולה

אף ארגון יחיד אינו יכול לפתור את האתגרים של פיתוח זרז מעגלי לבדו.שיתוף פעולה בין-מגזרי מחקר, יצרנים כימיים, חברות ניהול פסולת וקובעי מדיניות - חיוני ליצירת התשתית והתמריצים הדרושים לאימוץ נרחב. [+] שמרנים בתעשייה כגון כלכלה מעגלית עבור קטליזה (CEC) ופלטפורמת הטכנולוגיה האירופית לכימיה בר-קיימא (SusChem) כבר מאפשרת שיתוף ומחקר טרום תחרותי.

קובעי מדיניות יכולים להאיץ את ההתקדמות באמצעות מימון פרויקטים של הדגמה, הקמת ארגזי חול רגולטוריים עבור זרזים חדשים, ושילוב ביצועי זרז לסטנדרטים הקיימים.לדוגמה, הדורשים כי זרזים המשמשים בפרויקטים מימון ממשלתי עומדים בקריטריונים מסוימים עמידות ומחזוריות ייצור משיכה לשיתוף פעולה בינלאומי על תקני נתונים לבדיקת זרז ודיווח יאפשרו גם מודלים יעילים יותר של ML ו-.

חינוך ופיתוח כוח העבודה חשובים באותה מידה.כפי שעקרונות הכלכלה המעגלית מחלחלים לתעשיית הכימיה, כימאים ומהנדסים כימיים חייבים להיות מאומן בחשיבה מחזור חיים, עיצוב זרז למחזוריות, והשימוש בכלים דיגיטליים.אוניברסיטאות וחברות מקצועיות מתחילים להציע קורסים מיוחדים והסמכתם בקטאליזה בת קיימא ובכימיה מעגלית.

מסקנה

העתיד של פיתוח זרז הוא בלתי נפרד מהמעבר לכלכלה מעגלית.המגמות המתפתחת במגמות מבוססות ביולוגית, nanostructured, וחומרים אלקטרו-טקליטיים כבר מוכיחים כי כימיה בת קיימא יכולה להיות יעילה וכלכלית קיימא. עם זאת, מימוש הפוטנציאל המלא דורש להתגבר על אתגרים משמעותיים במגוון רחב של יכולת, עלות, מחזוריות, ואימוץ.התקדמות בבינה מלאכותית, ייצור חכם, וממשל משותף מספק את היכולת של החיים האלה, באופן שיטתי, באופן שיטתי, על ידי זרז, על ידי זרז אנרגיה מתחדשת, על ידי זרז, על ידי זרז, כוח חיים מעגלי, על ידי פיתוח אנרגיה, כוח חיים, כוח חיים, על ידי זרז, על ידי זרז, כוח חיים, על ידי אקטיבי, על ידי אקטיבי, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, באופן שיטתי, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, באופן שיטתי, כוח חיים, כוח חיים מעגלי, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, וקידום, באופן שיטתי, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, כוח חיים, ואימוץ.