Cyrkon (większy spalony pomarańczowy atom) w połączeniu z azotkiem krzemu (niebieskie i szare atomy) przyspiesza przemianę propanu w propylen w sposób szybszy i zużywający mniej energii niż bardziej tradycyjne sposoby. Źródło: David Kaphan, Max Delferro i Yu Lim Kim/Argonne National Laboratory
Połączenie cyrkonu z azotkiem krzemu usprawnia przemianę propanu, składnika gazu ziemnego, w polipropylen, bardzo poszukiwane tworzywo sztuczne.
Polipropylen to szeroko stosowane tworzywo sztuczne, które można znaleźć w wielu przedmiotach codziennego użytku, w tym w pojemnikach na żywność i wyrobach medycznych. Ze względu na jego popularność rośnie zapotrzebowanie na propylen, substancję chemiczną niezbędną do jego produkcji. Propylen otrzymywany jest z propanu, gazu ziemnego powszechnie stosowanego w grillach.
Naukowcy z Narodowego Laboratorium Argonne i Ames National Laboratory Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) zgłaszają szybszy i bardziej energooszczędny sposób produkcji propylenu niż obecnie stosowany proces.
Przekształcenie propanu w propylen zazwyczaj obejmuje katalizator metalowy, taki jak chrom lub platyna, na materiale nośnikowym, takim jak tlenek glinu lub dwutlenek krzemu. Katalizator przyspiesza reakcję. Wymaga to jednak również wysokich temperatur roboczych i zużycia energii.
Przełom w technologii katalizatorów
W ramach wspólnego projektu naukowcy z Argonne i Ames odkryli, że cyrkon w połączeniu z azotkiem krzemu przyspiesza katalityczną konwersję gazowego propanu do propylenu. Czyni to w sposób, który reaguje szybciej i jest mniej toksyczny oraz zużywa mniej energii niż inne metale nieszlachetne, takie jak chrom. Jest także tańszy niż katalizatory z metali szlachetnych, takich jak platyna.
Odkrycie to odkrywa także sposób na obniżenie temperatury procesu katalitycznego. To z kolei zmniejsza ilość uwalnianego dwutlenku węgla. Dwutlenek węgla odpowiada za prawie 80% emisji gazów cieplarnianych w Stanach Zjednoczonych. Ponadto badania te dają wgląd w reaktywność osiągalną w przypadku innych tanich metali w katalitycznej konwersji propanu do propylenu.
Od pewnego czasu chemicy z firmy Argonne, David Kaphan i Max Delferro, systematycznie badają, w jaki sposób nietradycyjne powierzchnie wpływają na katalizę i ją promują. Jako główni badacze tego badania chcieli zrozumieć, jak nietradycyjny katalizator metalowy na nietradycyjnym nośniku wypada w porównaniu z tradycyjnie stosowanymi materiałami podczas katalitycznej konwersji propanu.
Materiały nośnikowe katalizatorów zazwyczaj mają dużą powierzchnię i pomagają w rozprowadzaniu katalizatorów. Jak wykazano w tym badaniu, mogą również odgrywać ważną rolę w promowaniu katalizy. Zespół badawczy odkrył, że katalizator cyrkonowy na nośniku z azotku krzemu zapewnia znacznie bardziej aktywną katalizę konwersji propanu w propylen. Inaczej było w przypadku nośnika krzemionkowego.
Odkryli również, że nośnik z azotku krzemu umożliwia katalizę w sposób szybszy i bardziej energooszczędny niż w przypadku tradycyjnych metali na krzemionce. Jako nośnik katalizatora azotek krzemu może nasilać reakcje chemiczne zachodzące na powierzchni metali w porównaniu z bardziej tradycyjnie stosowanymi tlenkami. Naukowcy osiągnęli katalityczną konwersję propanu w temperaturze 842 stopni F. Jest to wartość nieco niższa niż 1022 stopni F typowo wymagana w przypadku katalizy przy użyciu tradycyjnych materiałów.
Ogólne implikacje i narzędzia badawcze
Co więcej, gdy reakcje przebiegały w tej samej temperaturze, co tradycyjne katalizatory do tej transformacji, szybkości reakcji były znacznie większe niż w przypadku podobnych materiałów z nośnikami tlenkowymi. Odkrycie to stanowi również dowód na to, że koncepcję tę można uogólnić na inne ważne reakcje.
„To daje wgląd w reaktywność metali wspomaganych azotkami. Widzimy obiecujące zastosowanie innych metali przejściowych, w przypadku których możemy wykorzystać tę różnicę w lokalnym środowisku powierzchni azotku w celu usprawnienia katalizy” – powiedział Kaphan.
W badaniach wykorzystano zaawansowane źródło fotonów (APS) firmy Argonne, narzędzie użytkownika Departamentu Nauki DOE. Na linii wiązki 10-BM badacze wykorzystali rentgenowską spektroskopię absorpcyjną, aby zrozumieć, w jaki sposób interakcja katalizatora cyrkonowego z materiałem azotkowym różni się od interakcji z materiałem tlenkowym.
Badacze z firmy Argonne współpracowali także z Frédériciem Perrasem, naukowcem z Ames National Laboratory, aby lepiej zrozumieć strukturę katalizatora azotek cyrkonu/azotek krzemu. Do analizy reakcji azotku krzemu z miejscami metalowymi zastosował technikę dynamicznego rezonansu magnetycznego wzmocnionego polaryzacją jądrową.
„Skład powierzchni azotku krzemu jest w dużej mierze nieznany i właśnie to wydało mi się najbardziej ekscytujące w tej pracy” – powiedział Perras, który jest także adiunktem na Uniwersytecie Stanowym Iowa.
Według Delferro połączenie technik charakteryzacji materiałów dostępnych w Argonne i Ames oraz wiedza osób, które pracowały nad tym artykułem, przyczyniły się do sukcesu tego eksperymentu.
„Jedna osoba nie może zrobić wszystkiego. To naprawdę wysiłek zespołowy i wszyscy wnieśli swoją wiedzę, aby osiągnąć ten cel” – powiedział.
Odniesienie: „Odwodornienie propanu wspomagane powierzchniowo azotkiem krzemu, katalizowane przez wspierany organozirkon”, Joshua C. DeMuth, Yu Lim Kim, Jacklyn N. Hall, Zoha H. Syed, Kaixi Deng, Frédéric A. Perras, Magali S. Ferrandon, A. Jeremy Kropf, Cong Liu, David M. Kaphan i Massimiliano Delferro, 16 maja 2024 r., Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.
DOI: 10.1021/jacs.4c02776
Wsparcie dla badań pochodziło od Biura Nauk o Podstawowej Energii DOE, Wydziału Nauk Chemicznych, Nauk o Ziemi i Nauk Biologicznych, programu Kataliza.
