Wiley

Lignin là chất phong phú nhất về mặt cấu trúc thơm trong tự nhiên và là đóng góp lớn nhất cho chất hữu cơ trong đất. Mỗi năm, ngành công nghiệp giấy sản xuất hàng triệu tấn các chế phẩm lignin, và một lượng tối thiểu lignin được tách chiết trực tiếp từ thực vật. Lignin được sử dụng trực tiếp hoặc đã được biến đổi hóa học, như một chất kết dính, chất phân tán cho thuốc trừ sâu, chất nhũ hóa, chất cô lập kim loại nặng, hoặc thành phần cho các hợp chất và copolymer. Để cải thiện các ứng dụng giá trị gia tăng của lignin, các công nghệ chuyển đổi trung hạn và dài hạn cần được phát triển, đặc biệt cho việc chuẩn bị các hợp chất có trọng lượng phân tử thấp như một sự thay thế cho ngành công nghiệp hóa dầu.

Tính ổn định trong môi trường kiềm của 26 nhóm amoni bậc bốn khác nhau (QA) được nghiên cứu ở nhiệt độ lên đến 160 °C và nồng độ NaOH lên đến 10 mol L⁻¹, với mục tiêu cung cấp cơ sở cho việc lựa chọn các nhóm chức cho màng trao đổi hydroxide trong tế bào nhiên liệu kiềm và các cation chất lỏng ion ổn định trong điều kiện kiềm. Hầu hết các QA đều thể hiện tính ổn định kiềm cao bất ngờ, ngoại trừ các cation thơm. Các proton beta được tìm thấy là ít nhạy cảm hơn với sự tấn công của nucleophile so với những gì trước đây đã đề xuất, trong khi sự có mặt của các nhóm benzyl, các nguyên tử dị thường gần đó, hoặc các loài hút electron khác thúc đẩy các phản ứng phân hủy một cách đáng kể. Các QA vòng chứng tỏ có tính ổn định đặc biệt, với 6-azonia-spiro[5.5]undecane dựa trên piperidine có thời gian bán hủy cao nhất trong các điều kiện đã chọn. Tính ổn định tuyệt đối và tương đối được trình bày trong đây trái ngược với dữ liệu trong tài liệu, và những khác biệt này được quy cho các ảnh hưởng của dung môi đối với quá trình phân hủy.

Nhựa là vật liệu rẻ, dễ tạo hình và nhẹ. Những ưu điểm này cùng với nhiều điểm mạnh khác khiến chúng trở thành ứng viên rất hứa hẹn cho các ứng dụng thương mại. Ở nhiều lĩnh vực, nhựa đã giảm thiểu đáng kể việc sử dụng các vật liệu truyền thống. Tuy nhiên, vấn đề tái chế vẫn là một thách thức lớn. Có cả vấn đề công nghệ và kinh tế kìm hãm sự tiến bộ trong lĩnh vực này. Trong bài viết này, một cái nhìn tổng quan về tình hình tái chế hiện tại được cung cấp, cùng với dự báo cho tương lai bằng cách sử dụng các polymer phổ biến như polyolefin, poly(vinyl clorua), polyurethane, và poly(etilen terephthalate) làm ví dụ. Các loại hình tái chế khác nhau, bao gồm tái chế sơ cấp, thứ cấp, thứ ba, thứ tư và tái chế sinh học, được thảo luận cùng với các vấn đề liên quan, như khả năng tương thích và liên kết chéo. Có nhiều dự án tại Liên minh Châu Âu về nghiên cứu và áp dụng các phương pháp tái chế này; các ví dụ tiêu biểu đã được cung cấp trong bài viết. Những tiến bộ của chúng được phản ánh qua những bằng sáng chế đã được cấp, hầu hết trong số đó có phạm vi rất hạn chế và chỉ bao trùm một số công nghệ cụ thể. Việc giới thiệu các kỹ thuật sử dụng chất thải toàn cầu vào thị trường polymer hiện tại vẫn chưa phát triển hoàn toàn, nhưng có tiềm năng to lớn.

Lignin là nguồn dự trữ lớn nhất của các hợp chất thơm trên trái đất và có tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Các phương pháp thay thế để sản xuất lignosulfonat từ nước thải pulping sulfite đã qua sử dụng và lignin kraft từ nước đen của quá trình pulping kraft được xem xét một cách chính thức trong bài báo này. Hơn nữa, các tùy chọn để tăng hàm lượng sulfonat của các sản phẩm dựa trên lignin được nêu rõ và sự hấp dẫn công nghiệp của chúng được đánh giá. Đánh giá này bao gồm sulfon hóa và sulfomethyl hóa lignin. Để tăng cường hiệu suất sulfomethyl hóa lignin, nhiều kịch bản, bao gồm thủy phân, oxy hóa và hydroxymethyl hóa, đã được so sánh. Việc áp dụng các sản phẩm dựa trên lignin sulfonat được đánh giá và tác động của các đặc tính của các sản phẩm này đối với đặc điểm của ứng dụng cuối cùng của chúng được đánh giá một cách nghiêm túc. Các sản phẩm dựa trên lignin sulfonat đã được sử dụng chủ yếu làm chất phân tán trong các phương pháp trộn xi măng và dung dịch nhuộm nên trọng lượng phân tử và mức độ sulfonat của chúng rất quan trọng trong việc xác định hiệu quả của chúng. Việc sử dụng các sản phẩm sulfonat dựa trên lignin trong các hợp chất có thể dẫn đến sự gia tăng tính ưa nước của một số hợp chất, nhưng các sản phẩm sulfonat có thể cần phải được loại bỏ sulfonat bằng kiềm và/hoặc oxy trước khi được sử dụng trong các hợp chất. Để được sử dụng làm chất keo tụ, các sản phẩm sulfonat dựa trên lignin có thể cần phải được liên kết chéo để tăng trọng lượng phân tử của chúng. Những thách thức liên quan đến việc sử dụng các sản phẩm dựa trên lignin trong những ứng dụng này được thảo luận một cách toàn diện trong bài báo này.

Cửa sổ quy trình mới tận dụng các điều kiện quy trình khác xa so với các thực tiễn truyền thống. Điều này bao gồm việc sử dụng nhiệt độ cao, áp suất cao, nồng độ cao (không có dung môi), các chuyển hóa hóa học mới, các điều kiện nổ, cùng với việc đơn giản hóa và tích hợp quy trình để thúc đẩy hóa học tổng hợp ở cả quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất. Những điều kiện phản ứng khắc nghiệt như vậy có thể được đạt được một cách an toàn trong các phản ứng vi cấu trúc nhờ vào các thuộc tính tăng cường vận chuyển tuyệt vời của chúng. Bài tổng quan này thảo luận về các lộ trình khác nhau hướng tới Cửa sổ quy trình mới và cung cấp một số ví dụ cho mỗi lộ trình được nhóm thành các lớp khác nhau của việc tăng cường hóa học và thiết kế quy trình.

Nước biển là một nguồn tài nguyên nước phong phú trên hành tinh của chúng ta và việc điện phân trực tiếp nước biển có lợi thế không cạnh tranh với các hoạt động cần nước ngọt. Tính chọn lọc oxy là một thách thức khi thực hiện điện phân nước biển do các phản ứng oxi hóa clorua cạnh tranh. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất một tiêu chí thiết kế dựa trên các cân nhắc nhiệt động lực học và động học, xác định các điều kiện kiềm là ưu việt để đạt được tính chọn lọc cao cho phản ứng phát sinh oxy. Tiêu chí này chỉ ra rằng các xúc tác duy trì dòng điện hoạt động mong muốn với mức quá điện áp <480 mV trong điều kiện pH kiềm có khả năng tốt nhất để đạt được 100 % tính chọn lọc oxy/hydrogen. Hydroxide nickel–sắt đa lớp được chứng minh là đáp ứng tiêu chí này ở pH 13 trong điện phân giả lập nước biển. Xúc tác này được tổng hợp bằng phương pháp solvo–nhiệt và hoạt tính, hóa học redox bề mặt, và độ ổn định đã được kiểm tra điện hóa học trong điều kiện kiềm và gần trung tính (đệm borat ở pH 9.2), cũng như trong cả hai điều kiện nước biển tươi. Độ dốc Tafel tại các mật độ dòng điện thấp không bị ảnh hưởng bởi pH hay sự hiện diện của clorua. Mặt khác, sự thêm vào của các ion clorua có ảnh hưởng đến sự tiến triển theo thời gian của đỉnh khử nickel và cả hoạt tính lẫn độ ổn định tại các mật độ dòng điện cao ở pH 9.2. Hiệu suất Faradaic gần 100 % dưới các điều kiện hoạt động được dự đoán bởi các tiêu chí thiết kế của chúng tôi đã được chứng minh bằng phương pháp khối phổ điện hóa tại chỗ.

Bài đánh giá này giới thiệu số đặc biệt của ChemSusChem dành riêng cho việc tái chế CO₂. Mục tiêu của nó là cung cấp cái nhìn tổng quan cập nhật về việc sử dụng hóa học của CO₂ (khoáng hóa vô cơ, carboxyl hóa hữu cơ, phản ứng khử và chuyển đổi sinh hóa), như một sự tiếp nối và mở rộng của các sách và bài đánh giá trước đây về chủ đề này, nhưng với trọng tâm cụ thể vào các lộ trình quy mô lớn và các dự án/nhà máy thí điểm hiện đang nổi lên ở cấp độ (tiền) công nghiệp. Bài đánh giá cũng làm nổi bật cách mà một số lộ trình này sẽ cung cấp cơ hội quý giá để đưa năng lượng tái tạo vào cơ sở hạ tầng năng lượng và hóa chất hiện có (tức là, năng lượng tái tạo “nhúng” bằng cách tổng hợp hóa chất từ CO₂ dễ dàng để vận chuyển và lưu trữ. Do đó, việc chuyển đổi CO₂ có khả năng trở thành một trụ cột quan trọng trong sản xuất hóa chất và năng lượng bền vững và hiệu quả tài nguyên từ năng lượng tái tạo.

Các quy trình xúc tác hiện tại được thiết lập trong ngành công nghiệp hóa chất thường sử dụng kim loại, trong nhiều trường hợp là kim loại quý, hoặc oxit kim loại làm xúc tác. Các quá trình này thường tiêu tốn năng lượng và không có tính chọn lọc cao, gây lãng phí tài nguyên và tạo ra khí nhà kính. Xúc tác dị thể không có kim loại bằng carbon hoặc carbon nitride là một lựa chọn thú vị thay thế cho một số quy trình hóa học công nghiệp hóa hiện tại. Carbon và carbon nitride kết hợp tính chấp nhận môi trường với nguồn tài nguyên vô tận và cho phép quản lý năng lượng thuận lợi với khả năng dẫn nhiệt tốt. Nhờ vào nhiệt độ phản ứng thấp hơn và tính chọn lọc cao hơn, các xúc tác này có thể là ứng cử viên cho hóa học xanh với khí thải thấp và sử dụng hiệu quả nguyên liệu hóa học. Bài đánh giá này nổi bật một số hoạt động và phát triển đầy hứa hẹn gần đây trong xúc tác dị thể chỉ sử dụng carbon và carbon nitride làm xúc tác. Trạng thái hiện tại và các thách thức trong tương lai của xúc tác dị thể không có kim loại cũng được thảo luận.

Các tụ điện siêu tụ (supercapacitors) là một trong những thiết bị chính cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng. Chúng có mật độ năng lượng cao hơn nhiều so với các tụ điện thông thường và có khả năng cung cấp công suất tốt hơn so với pin. Điều này khiến chúng trở thành những thiết bị độc đáo có thể vượt trội hơn cả pin và tụ điện thông thường trong những tình huống đặc biệt. Nanocarbon là vật liệu điện cực chính cho các tụ điện siêu tụ. Nguồn nanocarbon phong phú và quy trình biến đổi dễ dàng đã dẫn đến việc chế tạo các điện cực giá rẻ. Trong bài đánh giá này, chúng tôi tập trung vào hiệu suất điện dung của carbon hoạt tính có độ xốp cao và cố gắng xác định vai trò của các lỗ rỗng khác nhau. Những thảo luận chi tiết được trình bày về các đóng góp của các vi lỗ và khe hở trung bình cũng như sự phụ thuộc lẫn nhau của chúng. Bài viết này cũng trình bày báo cáo hiệu suất so sánh giữa nanocarbon xốp ngẫu nhiên và có trật tự. Các vật liệu carbon mới, chẳng hạn như ống nano carbon và graphene, cùng với những đóng góp của chúng trong bối cảnh này cũng được thảo luận. Chúng tôi tóm tắt các kỹ thuật chính để chức năng hoá nanocarbon và các cơ chế lưu trữ điện tích giả điện dung của chúng. Các hợp chất nanocarbon với các oxit kim loại chuyển tiếp hoạt động redox và polymer dẫn điện cũng được nhấn mạnh cùng với tác động của chúng như các vật liệu điện cực. Các cấu trúc hợp chất lý tưởng được làm nổi bật và một nỗ lực được thực hiện để xác định cấu trúc điện cực lý tưởng trong tương lai cho các tụ điện với mật độ năng lượng và công suất cao.

Chúng tôi giới thiệu một mô hình lợi nhuận gộp nhằm đánh giá tính khả thi kinh tế-kỹ thuật của việc sản xuất các hóa chất khác nhau từ C₁–C₂ như carbon monoxide, axit formic, methanol, methane, ethanol và etylene thông qua quá trình điện giảm CO₂. Các tiêu chí hiệu suất chính bao gồm điện thế tế bào hoạt động tối đa (V_max), mật độ dòng điện hoạt động tối thiểu (j_min), hiệu suất Farada (FE) và độ bền của xúc tác (t_catdur) được suy ra. Giá trị V_max thu được cho các hóa chất khác nhau cho thấy CO và HCOOH là các sản phẩm có tính khả thi kinh tế cao nhất. Các yêu cầu lựa chọn cho thấy rằng việc đồng sản xuất một hóa chất có tính khả thi kinh tế thấp hơn (CH₃OH, CH₄, C₂H₅OH, C₂H₄) với một hóa chất có tính khả thi cao hơn (CO, HCOOH) có thể là một chiến lược để bù đắp cho các yêu cầu V_max cho từng sản phẩm riêng lẻ. Các yêu cầu hiệu suất khác như j_min và t_catdur cũng được suy ra, và tính khả thi của các thiết kế quy trình và điều kiện hoạt động thay thế được đánh giá.