Att tillsätta bly och kalcium till en industriell katalysator förbättrar dramatiskt dess förmåga att stödja propenproduktion vid mycket höga temperaturer, vilket gör den stabil och aktiv i en månad.

Forskare från Hokkaido University har designat en katalysator för propenproduktion som är mycket stabil även vid 600 grader C. De rapporterade sitt designkoncept och sina resultat i tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

Propylen är en mycket önskad råvara och byggsten för ett stort antal produkter, inklusive i textilier, plast och elektronik. Ursprungligen, det producerades som en biprodukt av att bryta ner mättade kolväten i en process som kallas ångkrackning. Dock, denna process ger inte längre de kvantiteter som industrin behöver.

På senare tid, industrin har tillverkat propen av skiffergas. Skiffergas innehåller en stor mängd metan, och mindre mängder etan och propan. Propen kan framställas från propan genom att avlägsna två väteatomer från det genom en process som kallas propandehydrering. Denna process kräver mycket höga temperaturer, runt 600 grader C. Platina används ofta som katalysator vid propandehydrering, eftersom det är väldigt bra på att bryta bort väteatomer från kol. Men det avaktiveras snabbt av sidoreaktioner som uppstår vid höga temperaturer.

Docent Shinya Furukawa ledde ett team av forskare vid Hokkaido Universitys Institute for Catalysis för att förbättra för närvarande tillgängliga platinakatalysatorer. Specifikt, de arbetade med en platinakatalysator som är legerad med gallium, en av flera inaktiva metaller som kan hjälpa till att minska de oönskade sidoreaktionerna som deaktiverar katalysatorn vid höga temperaturer genom att separera platinaatomerna från varandra. Dock, galliums separation av platinaatomer är inte fullständig.

Furukawa och hans kollegor lade blyatomer till platina-gallium nanopartiklar placerade på en kiseloxidbas. Blyatomerna fäste vid ytan av nanopartiklarna där tre platinaatomer förekom tillsammans. Detta blockerar de sidoreaktioner som uppstår vid platserna för de aggregerade platinaatomerna, lämnar enstaka atomer för att utföra dehydreringsarbetet.

Teamet förbättrade ytterligare katalysatorn genom att avsätta kalciumjoner på dess kiseloxidbas. Kalciumjonerna donerar elektroner till platina-gallium nanopartiklarna, förbättra deras stabilitet.

"Vår "dubbelt dekorerade" platina-galliumkatalysator hade en betydligt överlägsen stabilitet på en månad vid 600 grader C, jämfört med andra rapporterade propandehydreringskatalysatorer, som avaktiveras inom flera dagar, säger Furukawa.

Forskarna testade andra tillsatser och baser än kalciumjoner respektive kiseloxid, men ingen hade den överlägsna katalytiska förmågan och stabiliteten som den dubbelt dekorerade platina galliumkatalysatorn.

"Vårt designkoncept för katalysator banar väg för att förbättra den katalytiska prestandan hos intermetaller vid mättad dehydrering av kolväten, säger Furukawa.