Ethyleen wordt wel eens de belangrijkste chemische stof in de petrochemische industrie genoemd, omdat het dient als grondstof voor een groot aantal alledaagse producten. Het wordt gebruikt voor de productie van antivries, vinyl, synthetisch rubber, schuimisolatie en allerlei soorten plastic.

Momenteel wordt ethyleen geproduceerd via een energie- en hulpbronnenintensief proces dat stoomkraken wordt genoemd, waarbij extreme temperaturen en druk ethyleen produceren uit ruwe olie in de aanwezigheid van stoom – en daarbij tonnen kooldioxide in de atmosfeer uitstoten.

Een andere manier waarop ethyleen kan worden geproduceerd is via een proces dat oxidatieve koppeling van methaan (OCM) wordt genoemd. Het heeft de potentie om een ​​groener alternatief te zijn voor stoomkraken, maar tot voor kort maakte de hoeveelheid ethyleen die het oplevert het proces niet economisch levensvatbaar.

"Tot nu toe is de katalytische opbrengst bij één enkele doorgang minder dan 30% geweest, wat betekent dat alleen het methaan en de zuurstof door de katalysator worden geleid en aan de andere kant ethyleen wordt verkregen", zegt Bar Mosevitzky Lis, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker bij de afdeling Chemie. en biomoleculaire engineering aan de P.C. Rossin College of Engineering en Toegepaste Wetenschappen.

"Studies die het hele industriële proces met behulp van OCM hebben gesimuleerd, hebben aangetoond dat de technologie pas winstgevend wordt als de single-pass-opbrengst tussen de 30 en 35% bedraagt."

OCM is nu een stap dichter bij het verlaten van het laboratorium en het betreden van de echte wereld. Voor het eerst hebben onderzoekers van de North Carolina State University (NCSU) en Lehigh University, in samenwerking met onderzoekers van het Guangzhou Institute of Energy Conversion en de East China University of Science and Technology, een OCM-katalysator ontwikkeld die de 30% overschrijdt wanneer deze gaat om de productie van ethyleen.

Het artikel waarin hun doorbraak wordt beschreven, is onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

De samenwerking werd geleid door Fanxing Li, Alcoa Professor of Engineering bij NCSU. Zijn team ontwikkelde een klasse core-shell Li₂ CO₃ -gecoate gemengde zeldzame aardoxides als katalysatoren voor de oxidatieve koppeling van methaan met behulp van een chemisch lusschema. Het resultaat was een single-pass-opbrengst van maximaal 30,6%.

"Het idee van chemische looping is dat je, in plaats van methaan en zuurstof samen met de katalysator in de kamer te voeren, dit opeenvolgend doet", zegt Mosevitzky Lis, die ook een van de co-auteurs van het onderzoek is.

"Na verloop van tijd verlies je zuurstof uit de katalysator en wordt deze ineffectief. Bij chemische looping begin je met methaan, schakel je dan over op zuurstof en dan terug naar methaan, en de zuurstof dient om de katalysator voortdurend opnieuw te oxideren, waardoor het vermogen om te leveren wordt aangevuld. zuurstof voor de reactie."

Mosevitzky Lis en zijn team bij Lehigh – onder leiding van Israel Wachs, G. Whitney Snyder, hoogleraar chemische en biomoleculaire technologie en directeur van het Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab – voerden de karakterisering van de katalysator uit.

"Onze specialisatie ligt in de in situ oppervlaktekarakterisering", zegt Mosevitzky Lis, "wat betekent dat we het oppervlak van katalysatoren karakteriseren terwijl de reactie loopt. We passen een breed scala aan fysische en chemische technieken toe om de transformaties te begrijpen die katalysatoren ondergaan terwijl de katalytische reactie plaatsvindt. op hun oppervlak en hoe deze transformaties verband houden met wat hen tot zulke goede katalysatoren maakt."

Hij zegt dat de katalysator bestaat uit een kern van gemengd oxide bedekt met lithiumcarbonaat, en dat de interactie tussen de kern en de schil tijdens chemische looping verantwoordelijk is voor de hoge opbrengst. De resultaten betekenen dat het opwaarderen van methaan – dat voorkomt in aardgas en biogas – voor het eerst binnen handbereik zou kunnen zijn voor de industrie.

"OCM heeft het potentieel om goedkoper en efficiënter te zijn als het gaat om energie en emissies", zegt hij. “Bovendien gebruik je in plaats van ruwe olie methaan dat doorgaans uit aardgas komt, maar in de toekomst ook kan worden opgewekt uit biogas en de elektrochemische reductie van kooldioxide. En als je eenmaal ethyleen hebt, kun je het transformeren het in talloze producten die door de hele wereld worden gebruikt."

De volgende stap is het bepalen van de geschiktheid van de katalysator voor productie op industriële schaal, terwijl wordt geprobeerd de opbrengst nog verder te verhogen. Maar nu we eindelijk een methode hebben verbeterd die sinds de jaren tachtig een onvervulde belofte is gebleven, is dit een mijlpaal.

"Door de complexiteit van het systeem en de dynamiek die er plaatsvindt, lijkt het bijna op kunst", zegt Mosevitzky Lis. "Zowel de kern als de schil van de katalysator ondergaan zeer extreme processen, waardoor er aan de oppervlakte allerlei interessante dingen ontstaan. Het is prachtig."

Meer informatie: Kun Zhao et al, Door lithiumcarbonaat bevorderde gemengde zeldzame aardoxides als een algemene strategie voor oxidatieve koppeling van methaan met uitzonderlijke opbrengsten, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43682-5

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Lehigh University