Een tandemkatalysator op nanoschaal gebruiken om meer propyleen uit propaan te halen tijdens dehydrogenering

Tandem-katalysatormodellen. (A) Drie tandem-katalysatormodellen die een microporeuze In₂O₃ selectieve H₂ verbrandingskatalysator (groen) en een Pt / Al₂O₃ propaan dehydrogeneringskatalysator (rode Pt-nanodeeltjes, blauwe Al₂O₃ deeltje). Tandem-katalysator model 3, (Pt / Al₂O₃) @ 35cIn2O3 (35 cycli van In₂O₃ afzetting), bezit een ~ 2-nm In₂O₃ overcoat en 2,0- tot 2,3-nm Pt-nanodeeltjes en presteert het best. (B) Tandem PDH-SHC reactieschema voor (Pt / Al₂O₃) @ 35cIn₂O₃​ PDH vindt plaats op Pt en SHC verbruikt H via de In₂O₃ coating om de reactie voort te zetten naar een hoge propyleenopbrengst. O₂ reageert snel met de resulterende In₂O_3-x, waardoor ongewenste verbranding op Pt. De overlaag stabiliseert ook Pt-nanodeeltjes tegen aggregatie tijdens de reactie. Credit: Wetenschap (2021). DOI: 10.1126 / science.abd4441

Een team van onderzoekers van de Northwestern University heeft een tandemkatalysator op nanoschaal ontwikkeld om meer propyleen uit propaan te halen tijdens dehydrogenering. In hun paper gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschapbeschrijft de groep hun methode en de verbeteringen die ze bij het gebruik ervan vonden. Chunlei Pei en Jinlong Gong van de Tianjin University hebben een Perspectives-stuk gepubliceerd in hetzelfde tijdschriftnummer waarin de voordelen van tandemkatalyse en het werk van het team in Illinois worden uiteengezet.

Bedrijven die chemie gebruiken om producten te maken, hebben in de loop der jaren ontdekt dat het verminderen van het aantal stappen dat nodig is om hun producten te maken, vaak geldbesparingen oplevert. Dit heeft ertoe geleid dat chemici de mogelijkheid hebben onderzocht om meerdere stappen in afzonderlijke reacties te integreren – dergelijke tandemreacties omvatten opeenvolgende acties om de gewenste resultaten te bereiken. In deze nieuwe poging hebben de onderzoekers een tandemreactie ontwikkeld om het aantal stappen dat nodig is om propyleen te produceren tijdens de dehydrogenering van propaan te verminderen, en daarmee de opbrengst te verhogen. Propyleen is een gasvormige koolwaterstof die wordt gebruikt om verschillende soorten polymeren te maken.

Het werk omvatte de ontwikkeling van een katalysator op nanoschaal die een overcoat gebruikte om verhoogde oppervlakte-oxidatie van waterstofatomen mogelijk te maken – de overjassen waren ongeveer 2 nanometer dik. Om de overjassen te maken, gebruikten de onderzoekers atomaire laagafzetting als een middel om indiumoxide over Pt / Al te laten groeien.₂O₃—Een bekende katalysator voor de dehydrogenering van propaan. Dit veroorzaakte domeinkoppeling via overdracht van waterstofatomen aan het oppervlak – en dat resulteerde in dehydrogenering van propaan tot propyleen door platina en verhoogde waterstofverbranding uit het indiumoxide. De onderzoekers merken op dat de oxidatie verbeterd was door de poriën die zich ontwikkelden in de overcoating, waardoor een grotere blootstelling van de platina-nanodeeltjes mogelijk was – waterstofatomen op het oppervlak werden beter geoxideerd op het platina-indiumoxide-grensvlak. De onderzoekers ontdekten dat het gebruik van hun tandemkatalysator resulteerde in 75% propyleenselectiviteit en propaanconversie van 40%, waardoor de opbrengsten met ongeveer 30% werden verhoogd. Pei en Gong suggereren dat de resultaten zouden moeten inspireren tot verder werk, zowel in de industrie als in de academische wereld, omdat het waarschijnlijk in veel andere toepassingen kan worden gebruikt.