Ett team av medförfattare från fem olika länder har avslöjat ett nytt designkoncept för katalysatorer som används i den industriellt avgörande metanol-till-kolväte-processen (MTH), som möjliggör produktion av kemiska råvaror med hög efterfrågan från metanol med mycket källa.

"En anmärkningsvärd 14-faldig ökning av katalysatorns livslängd uppnåddes genom att använda flytande gallium som en promotor, vilken molekylnivåeffekter på arbetskatalysatorn avslöjades genom noggranna in situ spektroskopiska studier utförda vid Charles University," sade en av författarna till studien Mariya Shamzhy från Charles University Center of Advanced Materials, Naturvetenskapliga fakulteten.

I ett betydande framsteg för området kemiteknik har forskare avslöjat en ny metod för att förbättra effektiviteten och hållbarheten i MTH-processen, en nyckelmetod för att omvandla metanol till värdefulla kemikalier och bränslen. Denna forskning visar användningen av metaller med låg smältpunkt, såsom gallium (Ga), för att avsevärt förbättra prestandan och livslängden för de katalysatorer som är involverade i MTH-processen. Forskningen är publicerad i tidskriften Nature Communications .

Traditionellt har MTH-processen förlitat sig på zeolitkatalysatorer. Även om de är effektiva, lider dessa katalysatorer av snabb deaktivering orsakad av koksavsättning, vilket nödvändiggör frekventa och kostsamma regenereringsbehandlingar. Det innovativa tillvägagångssättet som introducerats av forskargruppen utnyttjar galliums unika egenskaper för att bromsa avsättningen av koks och förbättra desorptionen av kolhaltiga arter från zeolitkatalysatorerna. Detta förlänger inte bara katalysatorernas livslängd utan ökar också processens totala effektivitet och hållbarhet.

Ett nyckelfynd av forskningen var att fysisk blandning av ZSM-5 zeolit ​​med flytande gallium resulterade i en katalysator som visade en förbättrad livslängd i MTH-reaktionen, som ökade med en faktor på upp till cirka 14 gånger jämfört med de traditionella ZSM-5 zeolitkatalysatorerna . Denna anmärkningsvärda förbättring öppnar dörren till mer kostnadseffektiva och miljövänliga kemiska tillverkningsprocesser.

Implikationerna av denna forskning är djupgående och erbjuder en alternativ väg till design och beredning av deaktiveringsresistenta zeolitkatalysatorer. Genom att minska behovet av regelbundna regenereringsbehandlingar sänker denna metod inte bara produktionskostnaderna utan minskar också det miljöavtryck som är förknippat med kemisk tillverkning.

Detta genombrott representerar ett avgörande steg framåt i strävan efter mer hållbara och effektiva kemiska produktionsmetoder. Det understryker potentialen i att integrera nya material och innovativa tekniker för att övervinna långvariga utmaningar i branschen.

Forskargruppens resultat erbjuder en lovande väg framåt för utvecklingen av nästa generations katalysatorer som kommer att spela en avgörande roll i den hållbara tillverkningen av värdefulla kemiska produkter från metanol.

"Det nya konceptet med användning av flytande metaller som promotorer för zeolitkatalysatorer introducerar spännande möjligheter för utveckling av mer effektiva och robusta katalytiska system för ett brett spektrum av industriella processer", avslutade en av motsvarande författarna, Vitaly V. Ordomsky från Université de Lille, Unité de Catalyze och Chimie du Solide.

Mer information: Yong Zhou et al, Flytande metaller för att öka stabiliteten hos zeolitkatalysatorer vid omvandlingen av metanol till kolväten, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46232-9

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Charles University