Een zeer efficiënte katalysator die propaangas omzet in zwaardere koolwaterstoffen is ontwikkeld door de King Abdullah University of Science and Technology in Saoedi-Arabië. (KAUST) onderzoekers. Het versnelt aanzienlijk een chemische reactie die bekend staat als alkaanmetathese, waarmee vloeibare brandstoffen kunnen worden gemaakt.

De katalysator herschikt propaan, die drie koolstofatomen bevat, in andere moleculen, zoals butaan (met vier koolstoffen), pentaan (met vijf koolstoffen) en ethaan (met twee koolstoffen). "Ons doel is om alkanen met een lager molecuulgewicht om te zetten in waardevolle alkanen uit het dieselbereik, " zei Manoja Samantaray van het KAUST Catalysis Center.

De kern van de katalysator zijn verbindingen van twee metalen, titanium en wolfraam, die via zuurstofatomen aan een silica-oppervlak zijn verankerd. De gebruikte strategie was katalyse door ontwerp. Eerdere studies toonden aan dat monometaalkatalysatoren twee functies hebben:alkaan tot olefine en vervolgens olefinemetathese. Titanium werd gekozen vanwege het vermogen om de C-H-binding van paraffinen te activeren om ze om te zetten in olefinen, en wolfraam werd gekozen vanwege zijn hoge activiteit voor olefinemetathese.

Om de katalysator te creëren, het team verwarmde silica om zoveel mogelijk water te verwijderen en voegde vervolgens hexamethyl wolfraam en tetraneopentyl titanium toe, vormen een lichtgeel poeder. De onderzoekers bestudeerden de katalysator met behulp van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie om aan te tonen dat de wolfraam- en titaniumatomen extreem dicht bij elkaar liggen op de silica-oppervlakken, misschien wel ≈0,5 nanometer.

De onderzoekers, onder leiding van de directeur van het centrum Jean-Marie Basset, testte vervolgens de katalysator door deze gedurende drie dagen met propaan tot 150°C te verwarmen. Na het optimaliseren van de reactieomstandigheden, bijvoorbeeld door het propaan continu over de katalysator te laten stromen - ontdekten ze dat de belangrijkste producten van de reactie ethaan en butaan waren en dat elk paar wolfraam- en titaniumatomen gemiddeld 10 kon katalyseren, 000 cycli voordat ze hun activiteit verliezen. Dit "omzetcijfer" is het hoogste dat ooit is gerapporteerd voor een propaanmetathesereactie.

Dit succes van katalyse door ontwerp, stellen de onderzoekers voor, is te wijten aan een verwacht coöperatief effect tussen de twee metalen. Eerst, een titaniumatoom verwijdert waterstofatomen uit propaan om propeen te vormen en vervolgens breekt een naburig wolfraamatoom propeen open bij zijn dubbele koolstof-koolstofbinding, het creëren van fragmenten die kunnen recombineren tot andere koolwaterstoffen. De onderzoekers ontdekten ook dat katalysatorpoeders die alleen wolfraam of titanium bevatten, zeer slecht presteerden; zelfs wanneer deze twee poeders fysiek met elkaar werden gemengd, hun prestaties kwamen niet overeen met de coöperatieve katalysator.

Het team hoopt een nog betere katalysator te ontwerpen met een hoger omzetcijfer, en een langere levensduur. "Wij geloven dat in de nabije toekomst, de industrie onze aanpak kan overnemen voor de productie van alkanen uit het dieselbereik en meer in het algemeen van katalyse door ontwerp, ' zei Samantaray.