Het nieuw ontwikkelde vermogen om voorheen ontoegankelijke schaliegasvoorraden aan te boren in de afgelopen tien jaar heeft een overvloedige bron van gassen gecreëerd, inclusief methaan, ethaan en propaan, die worden gebruikt om op chemicaliën gebaseerde producten zoals kunststoffen te maken. Maar de Amerikaanse chemische industrie heeft wetenschappers nodig, waaronder die van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), helpen om die nieuwe grondstofvoorziening om te zetten in een technologisch concurrentievoordeel.

In verschillende onderzoeksprogramma's Argonne-experts vinden manieren om goedkoper en efficiënter producten te produceren die zijn afgeleid van schaliegasafzettingen en zoeken nieuwe routes om beter presterende katalysatoren te maken.

"Om de voordelen te maximaliseren en te profiteren van de goedkope bron van aardgas en aardgasvloeistoffen van vandaag om investeringen en banen in de Verenigde Staten te creëren, het is belangrijk om nieuwe en efficiëntere processen te ontwikkelen met betrekking tot de katalytische omzetting van aardgas in hoogwaardigere materialen, " beweerde een rapport uit 2016 van de National Academy of Sciences.

Schaliegas is een aardgas dat wordt aangetroffen in schaliesteenformaties die honderden miljoenen jaren geleden zijn ontstaan. Het natte deel van schaliegas bevat verschillende alkanen, een familie van commercieel belangrijke koolwaterstoffen die ethaan en propaan omvat. De chemische industrie is geïnteresseerd in alkanen die kunnen worden omgezet in alkenen - een klasse koolwaterstoffen die nuttig is bij de productie van een verscheidenheid aan materialen, meestal polymeren zoals polyethyleen en polypropyleen. Argonne's wetenschappelijk programma voor katalyse heeft al een succesvolle methode ontwikkeld om alkanen effectief om te zetten in alkenen. Nutsvoorzieningen, de onderzoekers onderzoeken ook hoe ze andere verbindingen interessant kunnen maken voor de chemische industrie.

"Het doel is om te begrijpen hoe single-site katalysatoren op oppervlakken kunnen worden gemanipuleerd en hoe we een hoge selectiviteit kunnen bereiken voor lichte alkaantransformatie naar producten met toegevoegde waarde zoals olefinen, die wijdverbreid zijn gebruikt in de maakindustrie, " zei Max Delferro, een chemicus uit Argonne die de katalysegroep van het laboratorium leidt.

Wetenschappers van Argonne richten zich veel van hun werk op single-site katalysatoren vanwege de belofte die ze laten zien voor zowel hoge activiteit als productselectiviteit. Dergelijk werk heeft geleid tot twee Amerikaanse octrooiaanvragen voor de ontwikkeling van multimetaalkatalysatoren die selectief n-butaan dehydrogeneren tot 1, 3-butadieen (BDE). BDE is een primaire bouwsteen van synthetisch rubber, die polymeerfabrikanten hebben gebruikt om autobanden te maken.

De huidige procestechnologieën voor het omzetten van alkanen in alkenen omvatten allemaal cokesvorming, een koolstofafzettingsproces dat de katalytische activiteit verstoort. "Het probleem met cokesvorming is dat je je grondstof niet omzet in het product dat je wilt. Je zet het om in een bijproduct, " zei Ted Krause, een chemisch ingenieur en afdelingshoofd in de divisie Chemische Wetenschappen en Engineering van Argonne. De single-site katalysatortechnologie van Argonne dehydrogeneert alkanen zonder cokesvorming te bevorderen.

Het werk richt zich op een reeks katalysatoren en reacties waaruit particuliere bedrijven kunnen kiezen voor optimalisatie en commercialisering. "Een van de belangrijkste doelen is om de kennis van de basisenergiewetenschappen over te dragen naar de markten, ’ zei Delferro.

Krause leidt een tweede project, gefinancierd door DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Bioenergy Technologies Office. In dit project, onderzoekers gebruiken röntgenspectroscopie bij de Advanced Photon Source (APS), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, om te begrijpen hoe katalysatoren reageren en hoe ze deactiveren.

De katalysewetenschappers van Argonne werken via samenwerkingsovereenkomsten samen met verschillende bedrijven in de biobrandstoffen- en biochemische industrie om de ontwikkeling van katalytische materialen te stimuleren. In APS-experimenten, Onderzoekers van Argonne onderzoeken katalytische reacties met een röntgenstraal om de veranderingen te volgen die katalysatoren ondergaan tijdens werkelijke werkomstandigheden.

Katalysewetenschap is een steunpilaar van APS geweest sinds de APS in 1996 in gebruik werd genomen. In situ en operando-experimenten zijn een belangrijke kracht van de APS, metingen onder reële omstandigheden mogelijk te maken, zei Greg Halder, business development executive in de divisie Technology Commercialization and Partnerships van Argonne.

"Deze benaderingen omvatten een reeks bundellijnen waarmee de industrie reacties in realtime kan volgen en de katalytische prestaties kan meten door een reeks chemische en fysische eigenschappen nauwkeurig te volgen, " zei Halder. "Deze informatie kan vervolgens worden gecombineerd met experimentele en computationele gegevens en expertise om de volgende generatie katalysatoren te ontwikkelen."

Onderzoekers van Argonne zijn gespecialiseerd in het begrijpen waarom katalysatoren deactiveren - waarom ze sterven - en in het ontwikkelen van technieken om dat proces te verminderen.

"De levensduur van de katalysator is een kritische kostenfactor, "Zei Krause. "Als het kort is, je hebt een regeneratieproces nodig, omdat de kosten van vervanging met nieuwe katalysator onbetaalbaar kunnen zijn. Zelfs voor langetermijnkatalysatoren, als ze met de tijd beginnen te deactiveren, je hebt de neiging om selectiviteit naar het gewenste product te verliezen, dus je hebt de neiging om minder te maken van je gewenste product."

Chris Marshall, een senior onderzoekschemicus in de katalysegroep, leidt een door DOE EERE Advanced Manufacturing Office gefinancierd project om mogelijkheden te ontwikkelen voor het verlengen van de levensduur van de katalysator. "We hebben technieken ontwikkeld om katalysatoren te stabiliseren, vooral onder zware reactieomstandigheden, ' zei Kraus.

Naast haar expertise, Argonne is uitgerust met infrastructuur die de ontdekking van zowel materialen als procesomstandigheden versnelt. Het katalysatorgereedschap van het laboratorium voor synthese van atomaire laagafzetting biedt nauwkeurige controle over het proces op atomair niveau, en Argonne's high-throughput robotsyntheseplatform screent meerdere katalysatoren tegelijkertijd op een breed scala aan reacties en reactieomstandigheden.