Vysoce účinný katalyzátor, který přeměňuje plynný propan na těžší uhlovodíky, vyvinula saúdskoarabská Univerzita vědy a technologie krále Abdulláha. (KAUST) badatelé. Výrazně urychluje chemickou reakci známou jako alkanová metateze, kterou by bylo možné využít k výrobě kapalných paliv.

Katalyzátor přeskupuje propan, který obsahuje tři atomy uhlíku, na další molekuly, jako je butan (obsahující čtyři uhlíky), pentan (s pěti uhlíky) a ethan (se dvěma uhlíky). „Naším cílem je přeměnit alkany s nižší molekulovou hmotností na hodnotné alkany pro dieselové motory,“ řekl Manoja Samantaray z KAUST Catalysis Center.

V srdci katalyzátoru jsou sloučeniny dvou kovů, titanu a wolframu, které jsou ukotveny k povrchu oxidu křemičitého prostřednictvím atomů kyslíku. Použitou strategií byla katalýza podle návrhu. Předchozí studie ukázaly, že monometalické katalyzátory byly zapojeny do dvou funkcí: alkan na olefin a poté metateze olefinu. Titan byl vybrán kvůli jeho schopnosti aktivovat CH vazbu parafinů k jejich přeměně na olefiny a wolfram byl vybrán pro svou vysokou aktivitu pro metatezi olefinů.

K vytvoření katalyzátoru tým zahřál oxid křemičitý, aby odstranil co nejvíce vody, a poté přidal hexamethyl wolfram a tetraneopentyl titan, čímž vznikl světle žlutý prášek. Vědci studovali katalyzátor pomocí spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR), aby ukázali, že atomy wolframu a titanu leží extrémně blízko sebe na površích oxidu křemičitého, možná tak blízko jako ≈0,5 nanometru.

Výzkumníci pod vedením ředitele centra Jean-Marie Basseta poté testovali katalyzátor jeho zahříváním na 150 °C s propanem po dobu tří dnů. Po optimalizaci reakčních podmínek – například tím, že bylo umožněno propanu nepřetržitě proudit přes katalyzátor – zjistili, že hlavními produkty reakce byly ethan a butan a že každý pár atomů wolframu a titanu mohl katalyzovat v průměru 10 000 cyklů před ztrácí svou aktivitu. Toto „číslo obratu“ je nejvyšší, jaké kdy bylo hlášeno pro reakci metateze propanu.

Tento úspěch katalýzy podle návrhu, výzkumníci navrhují, je způsoben očekávaným kooperativním účinkem mezi dvěma kovy. Nejprve atom titanu odstraní atomy vodíku z propanu za vzniku propenu a poté sousední atom wolframu rozbije otevřený propen na jeho dvojné vazbě uhlík-uhlík a vytvoří fragmenty, které se mohou rekombinovat na jiné uhlovodíky. Výzkumníci také zjistili, že katalyzátorové prášky obsahující pouze wolfram nebo titan fungovaly velmi špatně; i když byly tyto dva prášky fyzicky smíchány dohromady, jejich výkon neodpovídal kooperativnímu katalyzátoru.

Tým doufá, že navrhne ještě lepší katalyzátor s vyšším číslem obratu a delší životností. „Věříme, že v blízké budoucnosti může průmysl přijmout náš přístup k výrobě alkanů pro naftové motory a obecněji ke katalýze podle návrhu,“ řekl Samantaray.