En mycket effektiv katalysator som omvandlar propangas till tyngre kolväten har utvecklats av Saudiarabiens kung Abdullah University of Science and Technology. (KAUST) forskare. Det påskyndar avsevärt en kemisk reaktion känd som alkanmetates, som skulle kunna användas för att producera flytande bränslen.
Katalysatorn omarrangerar propan, som innehåller tre kolatomer, in i andra molekyler, såsom butan (innehåller fyra kol), pentan (med fem kol) och etan (med två kol). "Vårt mål är att omvandla alkaner med lägre molekylvikt till värdefulla dieselalkaner, " sa Manoja Samantaray från KAUST Catalysis Center.
I hjärtat av katalysatorn finns föreningar av två metaller, titan och volfram, som är förankrade till en kiselyta via syreatomer. Strategin som användes var katalys genom design. Tidigare studier visade att monometalliska katalysatorer var engagerade i två funktioner:alkan till olefin och sedan olefinmetates. Titan valdes på grund av dess förmåga att aktivera CH-bindningen av paraffiner för att omvandla dem till olefiner, och volfram valdes för dess höga aktivitet för olefinmetates.
För att skapa katalysatorn, teamet värmde kiseldioxid för att ta bort så mycket vatten som möjligt och tillsatte sedan hexametylvolfram och tetraneopentyltitan, bildar ett ljusgult pulver. Forskarna studerade katalysatorn med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi för att visa att volfram- och titanatomerna ligger extremt nära varandra på kiseldioxidytorna, kanske så nära som ≈0,5 nanometer.
Forskarna, ledd av direktören för centret Jean-Marie Basset, testade sedan katalysatorn genom att värma den till 150°C med propan under tre dagar. Efter att ha optimerat reaktionsbetingelserna, t.ex. genom att låta propanen rinna kontinuerligt över katalysatorn - fann de att reaktionens huvudprodukter var etan och butan och att varje par volfram- och titanatomer kunde katalysera i genomsnitt 10, 000 cykler innan de förlorar sin aktivitet. Detta "omsättningstal" är det högsta som någonsin rapporterats för en propanmetatesreaktion.
Denna framgång med katalys genom design, forskarna föreslår, beror på en förväntad samverkanseffekt mellan de två metallerna. Först, en titanatom tar bort väteatomer från propan för att bilda propen och sedan bryter en intilliggande volframatom upp propen vid sin kol-kol dubbelbindning, skapa fragment som kan rekombineras till andra kolväten. Forskarna fann också att katalysatorpulver som endast innehåller volfram eller titan presterade mycket dåligt; även när dessa två pulver var fysiskt blandade, deras prestanda matchade inte den kooperativa katalysatorn.
Teamet hoppas kunna designa en ännu bättre katalysator med högre omsättning, och en längre livstid. "Vi tror att inom en snar framtid, industrin kan använda vårt tillvägagångssätt för att producera dieselalkaner och mer allmänt av katalys genom design, sa Samantaray.
