Under ett år som redan har drabbat tillverkningskedjorna, ännu en brist komplicerar tillverkarnas och konsumenternas liv:plast, och livsmedelsförpackningarna, fordonskomponenter, Kläder, medicinsk utrustning och labbutrustning och otaliga andra föremål som förlitar sig på dem.

Men en ny kemisk katalysator utvecklad vid University of Michigan kan möjliggöra produktion av mer av råvaran för världens näst mest använda plast. Råvaran, propen, används för att tillverka plasten polypropen—8 miljoner ton av det varje år.

Den nya katalysatorn, som kan göra propen av naturgas, är minst 10 gånger effektivare än nuvarande kommersiella katalysatorer. Och den varar 10 gånger längre innan den behöver förnyas. Den är gjord av nanopartiklar av platina och tenn som stöds av ett ramverk av kiseldioxid.

"Industrien har skiftat under åren från petroleumråvaror till skiffergas, " sa Suljo Linic, Martin Lewis Perl Collegiate Professor of Chemical Engineering vid U-M och senior författare på en artikel publicerad i Vetenskap . "Så det har skett en push för att hitta ett sätt att effektivt producera propen från propan, en komponent av skiffergas. Denna katalysator uppnår det målet."

Hemligheten bakom effektiv "icke-oxidativ dehydrering"

Propylen har traditionellt producerats vid oljeraffinaderier i massiva ångkrackare som bryter ner petroleumråvara till lättare kolvätemolekyler. Men att knäcka skiffergas för att producera propen har varit ineffektivt.

Den nya katalysatorn kan effektivt producera propen - en molekyl med tre kolatomer och sex väten - från propan, som har ytterligare två väten. Den använder en process som kallas icke-oxidativ dehydrering. En av anledningarna till att nuvarande katalysatorer är ineffektiva är att de kräver tillsats av väte till processen. Detta tillvägagångssätt gör det inte.

Nyckelinnovationen för den nya katalysatorn är hur den använder kiseldioxid som en stödstruktur för nanopartiklarna av platina och tenn, snarare än aluminiumoxiden som används i nuvarande katalysatorer. Aluminiumoxid reagerar med tenn, vilket får den att separera från platina och bryta ner katalysatorn. Eftersom den nya katalysatorn håller borta denna reaktion, den har en längre livslängd.

"Kisel som stöd för platina-tenn-nanopartiklar har prövats tidigare, men konventionella syntestekniker var inte tillräckligt exakta för att möjliggöra nära interaktion mellan platina och tenn, " sa Ali Hussain Motagamwala, U-M postdoktor och första författare på uppsatsen.

"Vi övervann detta genom att först syntetisera ett platina-tennkomplex med utmärkt interaktion. Vi stödde sedan detta komplex på kiseldioxid för att producera en mycket väldefinierad katalysator som är aktiv, selektiv och stabil under icke-oxidativ propandehydrering."

En nyckel till kommersialisering kommer att vara att hitta ett sätt att regenerera katalysatorn efter att den blivit nedsmutsad av kol. Även om nuvarande katalysatorer är kortlivade, Linic säger, den kemiska industrin har utvecklat ett invecklat system som kan regenerera den nedsmutsade katalysatorn snabbt och effektivt. Ett liknande system kommer att behöva utvecklas för den nya katalysatorn.

Stabiliserande propentillförsel

"Att bygga de typer av anläggningar som skulle driva den här processen i kommersiell skala skulle vara en enorm investering, och av den anledningen, den kemiska industrin tenderar att gå långsamt, Linic sa. "Denna katalysator är mycket bra, men förnyelse är nästa stora fråga."

Medan katalysatorn fortfarande är i forskningsstadiet, det har möjligheten att stärka världens propenförsörjning, som har utarmats av en skyhög global efterfrågan, Covid-drivna produktionsproblem och en serie orkanrelaterade avstängningar vid Gulf Coasts oljeraffinaderier som producerar kemikalien.

Uppsatsen har titeln "Stabila och selektiva katalysatorer för propandehydrering som arbetar vid termodynamisk gräns."