Eten kallas ibland den viktigaste kemikalien i den petrokemiska industrin eftersom den fungerar som råvara för ett stort utbud av vardagsprodukter. Det används för att tillverka frostskyddsmedel, vinyl, syntetiskt gummi, skumisolering och plast av alla slag.

För närvarande produceras eten genom en energi- och resurskrävande process som kallas ångkrackning, där extrema temperaturer och tryck producerar eten från råolja i närvaro av ånga - och i processen släpper ut ton koldioxid i atmosfären.

Ett annat sätt på vilket eten kan framställas är dock genom en process som kallas oxidativ koppling av metan (OCM). Det har potential att bli ett grönare alternativ till ångkrackning, men tills nyligen har mängden eten som den ger inte gjort processen ekonomiskt lönsam.

"Hittills har det katalytiska utbytet varit under 30 % för en enda passage, vilket betyder att bara passera metan och syre genom katalysatorn och få eten på andra sidan", säger Bar Mosevitzky Lis, en postdoktor vid Institutionen för kemiska ämnen. och biomolekylär teknik vid Lehigh University's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science.

"Studier som har simulerat hela den industriella processen med OCM har visat att tekniken inte blir lönsam förrän engångsutbytet når mellan 30 och 35 %."

OCM är nu ett steg närmare att lämna labbet och gå in i den verkliga världen. För första gången har forskare vid North Carolina State University (NCSU) och Lehigh University, i samarbete med forskare från Guangzhou Institute of Energy Conversion och East China University of Science and Technology, utvecklat en OCM-katalysator som överstiger 30 % när den kommer till framställning av eten.

Uppsatsen som beskriver deras genombrott publicerades nyligen i Nature Communications .

Samarbetet leddes av Fanxing Li, Alcoa professor i teknik vid NCSU. Hans team utvecklade en klass av kärnskal Li₂ CO₃ -belagda blandade sällsynta jordartsmetalloxider som katalysatorer för den oxidativa kopplingen av metan med användning av ett kemiskt looping-schema. Resultatet blev ett engångsutbyte på upp till 30,6 %.

"Tanken med kemisk looping är att istället för att göra en sammatning av metan och syre in i kammaren med katalysatorn, gör du det sekventiellt", säger Mosevitzky Lis, som också är en av studiens medförfattare.

"Med tiden förlorar du syre från katalysatorn och den blir ineffektiv. Med kemisk looping börjar du med metan, växlar sedan till syre, sedan tillbaka till metan, och syret tjänar till att kontinuerligt återoxidera katalysatorn, och därigenom fylla på dess förmåga att tillhandahålla syre för reaktionen."

Mosevitzky Lis och hans team vid Lehigh – ledd av Israel Wachs, G. Whitney Snyder professor i kemisk och biomolekylär teknik och chef för Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab – gjorde karaktäriseringen av katalysatorn.

"Vår specialisering är med in situ ytkarakterisering", säger Mosevitzky Lis, "vilket betyder att vi karakteriserar ytan på katalysatorer medan reaktionen pågår. Vi använder ett brett utbud av fysikaliska och kemiska tekniker för att förstå de omvandlingar som katalysatorer genomgår medan den katalytiska reaktionen pågår. på deras yta och hur dessa transformationer relaterar till det som gör dem till så bra katalysatorer."

Han säger att katalysatorn är sammansatt av en blandad oxidkärna täckt av litiumkarbonat, och interaktionen mellan kärnan och skalet under kemisk looping är ansvarig för det höga utbytet. Resultaten innebär att uppgradering av metan – som finns i naturgas och biogas – till eten för första gången kan vara inom räckhåll för industrin.

"OCM har potential att bli billigare och effektivare när det kommer till energi och utsläpp", säger han. "Dessutom, istället för att använda råolja, använder du metan som vanligtvis kommer från naturgas men som också kan genereras i framtiden från biogas och den elektrokemiska reduktionen av koldioxid. Och när du väl har eten kan du omvandla det till otaliga produkter som används av hela världen."

Nästa steg är att fastställa katalysatorns lämplighet för produktion i industriell skala samtidigt som man försöker driva avkastningen ytterligare uppåt. För nu är det dock en milstolpe att ha förbättrat en metod som har förblivit ett ouppfyllt löfte sedan 1980-talet.

"Intrikat systemet och dynamiken som äger rum, det är nästan som konst", säger Mosevitzky Lis. "Både kärnan och skalet på katalysatorn genomgår mycket extrema processer som genererar alla möjliga intressanta saker på ytan. Det är vackert."

Mer information: Kun Zhao et al, Litiumkarbonat-främjade blandade sällsynta jordartsmetalloxider som en generaliserad strategi för oxidativ koppling av metan med exceptionellt utbyte, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43682-5

Journalinformation: Nature Communications

Tillhandahålls av Lehigh University