Wetenschap
Een versnelde aanpak leidt tot de ontdekking van een nieuwe katalytische promotor die vergelijkbaar is met decennia van onderzoek
Het aanpakken van de klimaatverandering vereist een heroverweging van gevestigde chemische processen op een tijdschaal van jaren in plaats van tientallen jaren zoals in traditionele R&D-cycli. In samenwerking met BasCat (UniCat BASF JointLab) ontwikkelde een team van onderzoekers van de theorieafdeling van het Fritz Haber Instituut een versnelde ontdekkingsaanpak om een veelbelovende katalytische promotorformulering te identificeren voor de omzetting van propaan in de basischemische propyleen.
Ontdekt in een paar weken en met minder dan 100 uitgevoerde experimenten, promootte de roman katalysatorrivalen die ontdekt werden door tientallen jaren van onderzoek. De bevindingen, gepubliceerd in ACS Catalysis , benadrukken niet alleen het succes van het partnerschap, maar openen ook wegen voor een efficiëntere en geïnformeerde ontwikkeling van multi-promotorformuleringen.
Katalyse speelt een cruciale rol in de chemische industrie en beïnvloedt meerdere aspecten van het dagelijks leven, zoals de productie van plastic, de ontwikkeling van medicijnen en de productie van brandstoffen en meststoffen. Katalysatoren versnellen chemische reacties en verbeteren hun selectiviteit voor de gewenste producten, terwijl ze het energieverbruik en de verspilling verminderen.
Hoewel de prestaties en levensduur van katalysatoren verder kunnen worden verbeterd door het gebruik van promoters, zijn de identificatie en optimalisatie ervan vaak vervelend, tijdrovend en kostbaar.
De samenwerking van het Instituut met BasCat richt zich op fundamenteel onderzoek op het gebied van heterogene katalyse en vooral op de katalytische transformatie van koolwaterstoffen naar producten met toegevoegde waarde.
Het onderzoek van het team stelde een versnelde ontdekkingsaanpak voor die een ontwerpruimte met meerdere promotoren verkent met slechts een beperkt aantal experimenten, gebaseerd op een efficiënte adaptieve design-of-experiment (DoE) experimentplanning en een doorvoermaximalisatie door middel van parallelle testen. De ontwerpruimte omvatte ongeveer 20.000 mogelijke promotorcombinaties voor de niet-oxidatieve dehydrogenering van propaan tot propyleen, waarbij platina op aluminiumoxide als katalysator werd gebruikt.
Een uitgebreide experimentele test zou jaren van onderzoek vergen. In plaats daarvan identificeerde hun ontdekkingsaanpak met succes een veelbelovende nieuwe promoterformulering door minder dan 100 experimenten uit te voeren in een paar weken.
Momenteel is propyleen een cruciale chemische grondstof voor de productie van polymeren en er wordt verwacht dat de vraag ervan tegen 2030 200 megaton zal bereiken. De bestaande kraakprocessen zijn helaas onvoldoende om aan deze verwachte vraag te voldoen en recentere commercieel toegepaste processen bieden nog steeds beperkingen om een hoge productopbrengst te bereiken. .
Daarom worden het ontdekken van nieuwe combinaties van hoogwaardige multi-promotors en het verkrijgen van een dieper inzicht in de chemische mechanismen achter hun bevorderende effecten als cruciale elementen gezien.