Den nyutvecklade förmågan att utnyttja tidigare otillgängliga skiffergasfyndigheter under det senaste decenniet har skapat en riklig källa av gaser, inklusive metan, etan och propan, som används för att skapa kemikaliebaserade produkter som plast. Men den amerikanska kemiska industrin behöver forskare, inklusive de vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, att hjälpa till att förvandla den nya råvaruförsörjningen till en konkurrenskraftig teknisk fördel.

I en mängd olika forskningsprogram, Argonne-experter hittar sätt att billigare och mer effektivt tillverka produkter som härrör från skiffergasfyndigheter och identifierar nya vägar för att göra katalysatorer med högre prestanda.

"För att maximera fördelarna och dra nytta av dagens billiga källa av naturgas och naturgasvätskor för att skapa investeringar och jobb i USA, det är viktigt att utveckla nya och mer effektiva processer relaterade till katalytisk omvandling av naturgas till material med högre värde, " hävdade en rapport från 2016 från National Academy of Sciences.

Skiffergas är en naturgas som finns i skifferstensformationer skapade för hundratals miljoner år sedan. Den våta delen av skiffergas innehåller en mängd olika alkaner, en familj av kommersiellt viktiga kolväten som inkluderar etan och propan. Den kemiska industrin är intresserad av alkaner som kan omvandlas till alkener - en klass av kolväten som är användbara vid tillverkning av en mängd olika material, mestadels polymerer såsom polyeten och polypropen. Argonnes katalysvetenskapsprogram har redan utvecklat en framgångsrik metod för att effektivt omvandla alkaner till alkener. Nu, forskarna undersöker också hur de kan göra andra föreningar av intresse för den kemiska industrin.

"Målet är att förstå hur man manipulerar single-site katalysatorer på ytor och hur vi kan uppnå hög selektivitet för lätt alkanomvandling till mervärdesprodukter som olefiner, som har funnit utbredd användning inom tillverkningsindustrin, sa Max Delferro, en Argonne-kemist som leder laboratoriets katalysgrupp.

Argonne-forskare fokuserar mycket av sitt arbete på single-site katalysatorer på grund av det löfte de visar för både hög aktivitet och produktselektivitet. Sådant arbete har resulterat i två amerikanska patentansökningar för utveckling av multimetalliska katalysatorer som selektivt dehydrerar n-butan till 1, 3-butadien (BDE). BDE är en primär byggsten av syntetiskt gummi, som polymertillverkare har använt för att tillverka bildäck.

Nuvarande processteknik för att omvandla alkaner till alkener involverar alla koksning, en kolavsättningsprocess som stör katalytisk aktivitet. "Problemet med koksning är att du inte omvandlar ditt råmaterial till den produkt du vill ha. Du omvandlar det till en biprodukt, sa Ted Krause, en kemiingenjör och avdelningschef på Argonnes division Chemical Sciences and Engineering. Argonnes single-site katalysatorteknologi dehydrerar alkaner utan att främja koksbildning.

Arbetet är inriktat på en rad katalysatorer och reaktioner från vilka privata företag kan välja för optimering och kommersialisering. "Ett av huvudmålen är att överföra kunskapen från den grundläggande energivetenskapliga sidan till marknaderna, sa Delferro.

Krause leder ett andra projekt, finansieras genom DOE:s kontor för energieffektivitet och förnybar energi (EERE) Bioenergy Technologies Office. I detta projekt, forskare använder röntgenspektroskopi vid Advanced Photon Source (APS), en användaranläggning för DOE Office of Science, för att förstå hur katalysatorer reagerar och hur de avaktiveras.

Argonnes katalysforskare arbetar med flera företag inom biobränsle- och biokemisk industri genom samarbetsavtal för att stimulera utvecklingen av katalytiska material. I APS-experiment, Argonne-forskare undersöker katalytiska reaktioner med en röntgenstråle för att övervaka förändringarna som katalysatorer genomgår under faktiska arbetsförhållanden.

Katalysvetenskap har varit en APS stöttepelare sedan APS startade sin verksamhet 1996. In situ- och operando-experimentkapacitet är en viktig styrka hos APS, möjliggör mätningar under verkliga förhållanden, sa Greg Halder, affärsutvecklingschef i Argonnes division Technology Commercialization and Partnerships.

"Dessa tillvägagångssätt spänner över en svit av strållinjer som gör att industrin kan se reaktioner ske i realtid och mäta katalytisk prestanda genom att exakt övervaka en rad kemiska och fysikaliska egenskaper, "Denna information kan sedan kombineras med experimentell och beräkningsdata och expertis för att utveckla nästa generations katalysatorer."

Argonne-forskare är specialiserade på att förstå varför katalysatorer deaktiveras - varför de dör - och på att utveckla tekniker för att mildra den processen.

"Katalysatorns livslängd är en kritisk kostnadsfaktor, " sa Krause. "Om den är kort, du behöver en förnyelseprocess, eftersom kostnaden för att byta ut den med färsk katalysator kan vara oöverkomlig. Även för långsiktiga katalysatorer, när de börjar avaktiveras med tiden, du tenderar att förlora selektivitet för den önskade produkten, så du tenderar att göra mindre av din önskade produkt."

Chris Marshall, en senior forskningskemist i katalysgruppen, leder ett DOE EERE Advanced Manufacturing Office-finansierat projekt för att utveckla kapacitet för att förlänga katalysatorns livslängd. "Vi har utvecklat tekniker för att stabilisera katalysatorer, särskilt under hårda reaktionsförhållanden, sa Krause.

Förutom sin expertis, Argonne är utrustad med infrastruktur som påskyndar upptäckten av både material och processförhållanden. Laboratoriets katalysatorverktyg för syntes av atomlager ger exakt kontroll över processen på atomnivå, och Argonnes högkapacitetsrobotsyntesplattform screenar flera katalysatorer samtidigt för en mängd olika reaktioner och reaktionsförhållanden.