En grupp japanska forskare har utvecklat en ultrastabil, selektiv katalysator för att dehydrera propan – en viktig process för att producera den viktigaste petrokemiska substansen i propen – utan deaktivering, även vid temperaturer över 600 grader C.

Propylen är en viktig råvara för plast, syntetiskt gummi, ytaktiva ämnen, färgämnen och läkemedel. På senare år har det har funnits en ökad efterfrågan på propen tillverkad av billigare, skifferursprunget propan. Reaktionstemperaturer på mer än 600 grader C är nödvändiga för att erhålla tillräckliga propenutbyten, men under dessa svåra förhållanden, allvarlig katalysatordeaktivering är oundviklig på grund av kolavsättning och/eller sintring. Katalysatorer i praktisk användning, därför, måste regenereras antingen kontinuerligt eller i korta cykler, gör processen ineffektiv och kostsam.

I föreliggande studie, gruppen, inklusive en masterstudent Yuki Nakaya och docent Shinya Furukawa vid Hokkaido Universitys Institute for Catalysis, fokuserat på intermetallerna (PtGa) av platina (Pt) och gallium (Ga), som har unika egenskaper och strukturer. PtGa har en hög termisk stabilitet och dess struktur förändras inte, även under höga temperaturer. Det är också känt att ha två typer av katalytiska ställen på sin yta:ett ställe med tre Pt-atomer (Pt3-ställe) och ett med singelatomliknande isolerat Pt (Pt1-ställe).

Gruppen antog att om Pt3-ställena - som underlättar kolavsättning förutom att producera propen - är inaktiverade för att endast tillåta Pt1-platserna att fungera, Katalysatorn kommer att vara ultrastabil och även kunna förhindra kolavsättning. Gruppen försökte olika metaller och katalysatorsyntesmetoder för att endast bevara Pt1-ställets funktion.

Den nyutvecklade katalysatorn (PtGa-Pb/SiO ₂ ), som är kiseldioxidstödd och tillverkad genom att tillsätta bly (Pb) till ytan av PtGa, uppvisar ingen deaktivering vid dehydrering av propan vid 600 grader C. Katalysatorn bibehöll den initiala omvandlingshastigheten på 30 procent i 96 timmar efter att reaktionen startade, som är betydligt mer stabil än konventionella katalysatorer. Propenselektiviteten är så hög som 99,6 procent med få sidoreaktioner, inklusive koldeposition. Resultaten visade att denna katalysator ger världens bästa prestanda vid temperaturer på 580 grader C eller högre. Särskilt, dess livslängd är mer än dubbelt så lång som den tidigare rapporterade rekordlängden för sådana katalysatorer. Vidare, katalysatorn kan tillverkas lika billigt som konventionella katalysatorer. Deras strukturella analys bekräftade Pt3-platser, inte Pt1-platser, omfattades och inaktiverades av Pb, som de förväntade sig.

"Vårt fynd kan leda till en effektivare och billigare industriell process för att producera propen från propan utan behov av katalysatorregenerering - som är vida överlägsen i selektivitet och stabilitet än konventionella, säger Furukawa. Dessutom, denna metod skulle kunna tillämpas på dehydrering av andra lägre alkaner såsom etan och isobutan, på så sätt bidra till den petrokemiska industrins utveckling."

Studien publiceras i Naturkommunikation .