In een jaar dat de toeleveringsketens voor de productie al heeft aangetast, nog een ander tekort bemoeilijkt het leven van fabrikanten en consumenten:kunststoffen, en de voedselverpakking, auto-onderdelen, kleding, medische en laboratoriumapparatuur en talloze andere items die erop vertrouwen.

Maar een nieuwe chemische katalysator, ontwikkeld aan de Universiteit van Michigan, zou de productie van meer grondstoffen voor 's werelds op één na meest gebruikte plastic mogelijk maken. de grondstof, propyleen, wordt gebruikt om het plastic polypropyleen te maken - 8 miljoen ton ervan per jaar.

De nieuwe katalysator die propyleen kan maken uit aardgas, is minstens 10 keer efficiënter dan de huidige commerciële katalysatoren. En het gaat 10 keer langer mee voordat regeneratie nodig is. Het is gemaakt van platina en tin nanodeeltjes die worden ondersteund door een raamwerk van silica.

"De industrie is in de loop der jaren verschoven van aardoliegrondstoffen naar schaliegas, " zei Suljo Linic, de Martin Lewis Perl Collegiate Professor of Chemical Engineering aan de UM en senior auteur van een paper gepubliceerd in Wetenschap . "Dus er is een druk geweest om een ​​manier te vinden om propyleen efficiënt te produceren uit propaan, een bestanddeel van schaliegas. Deze katalysator bereikt dat doel."

Het geheim van efficiënte 'niet-oxidatieve dehydrogenering'

Propyleen wordt van oudsher geproduceerd in olieraffinaderijen in enorme stoomkrakers die aardoliegrondstoffen afbreken tot lichtere koolwaterstofmoleculen. Maar het kraken van schaliegas om propyleen te produceren was inefficiënt.

De nieuwe katalysator kan efficiënt propyleen produceren - een molecuul met drie koolstofatomen en zes waterstofatomen - uit propaan, die twee extra waterstofatomen heeft. Het maakt gebruik van een proces dat niet-oxidatieve dehydrogenering wordt genoemd. Een van de redenen waarom de huidige katalysatoren inefficiënt zijn, is dat ze waterstof aan het proces moeten toevoegen. Deze aanpak doet dat niet.

De belangrijkste innovatie van de nieuwe katalysator is hoe het silica gebruikt als een ondersteunende structuur voor de platina- en tinnanodeeltjes, in plaats van het aluminiumoxide dat in de huidige katalysatoren wordt gebruikt. Alumina reageert met tin, waardoor het zich afscheidt van het platina en de katalysator afbreekt. Omdat de nieuwe katalysator deze reactie tegenhoudt, het heeft een langere levensduur.

"Silicium als ondersteuning voor platina-tin nanodeeltjes is al eerder geprobeerd, maar conventionele synthesetechnieken waren niet precies genoeg om een ​​nauwe interactie tussen platina en tin mogelijk te maken, " zei Ali Hussain Motagamwala, UM postdoctoraal onderzoeker en eerste auteur op het papier.

"We hebben dit overwonnen door eerst een platina-tincomplex met uitstekende interactie te synthetiseren. We hebben dit complex vervolgens op silica ondersteund om een ​​zeer goed gedefinieerde katalysator te produceren die actief is, selectief en stabiel tijdens niet-oxidatieve propaandehydrogenering."

Een sleutel tot commercialisering is het vinden van een manier om de katalysator te regenereren nadat deze is vervuild door koolstof. Ook al zijn de huidige katalysatoren van korte duur, Linic zegt, de chemische industrie heeft een ingewikkeld systeem ontwikkeld dat de vervuilde katalysator snel en efficiënt kan regenereren. Voor de nieuwe katalysator zal een soortgelijk systeem moeten worden ontwikkeld.

Stabiliserende propyleenvoorraden

"Het bouwen van het soort fabrieken dat dit proces op commerciële schaal zou uitvoeren, zou een enorme investering zijn, en om die reden, de chemische industrie heeft de neiging om langzaam te bewegen, "Zei Linic. "Deze katalysator is erg goed, maar regeneratie is de volgende grote vraag."

Hoewel de katalysator zich nog in de onderzoeksfase bevindt, het biedt de mogelijkheid om de propyleenvoorraden van de wereld te versterken, die zijn uitgeput door de torenhoge wereldwijde vraag, Door COVID veroorzaakte productieproblemen en een reeks orkaangerelateerde stilstanden bij olieraffinaderijen aan de Gulf Coast die de chemische stof produceren.

Het artikel is getiteld "Stabiele en selectieve katalysatoren voor propaandehydrogenering die werken op thermodynamische limieten."