En højeffektiv katalysator, der omdanner propangas til tungere kulbrinter, er blevet udviklet af Saudi-Arabiens King Abdullah University of Science and Technology. (KAUST) forskere. Det fremskynder markant en kemisk reaktion kendt som alkanmetatese, som kan bruges til at producere flydende brændstoffer.

Katalysatoren omarrangerer propan, som indeholder tre carbonatomer, til andre molekyler, såsom butan (indeholdende fire carbonatomer), pentan (med fem carbonatomer) og ethan (med to carbonatomer). "Vores mål er at omdanne alkaner med lavere molekylvægt til værdifulde dieselalkaner," sagde Manoja Samantaray fra KAUST Catalysis Center.

I hjertet af katalysatoren er forbindelser af to metaller, titanium og wolfram, som er forankret til en silicaoverflade via oxygenatomer. Den anvendte strategi var katalyse ved design. Tidligere undersøgelser viste, at monometalliske katalysatorer var involveret i to funktioner: alkan til olefin og derefter olefinmetatese. Titanium blev valgt på grund af dets evne til at aktivere CH-bindingen af ​​paraffiner for at omdanne dem til olefiner, og wolfram blev valgt på grund af dets høje aktivitet til olefinmetatese.

For at skabe katalysatoren opvarmede teamet silica for at fjerne så meget vand som muligt og tilføjede derefter hexamethylwolfram og tetraneopentyl-titan, hvilket dannede et lysegult pulver. Forskerne studerede katalysatoren ved hjælp af kernemagnetisk resonans (NMR) spektroskopi for at vise, at wolfram- og titaniumatomerne ligger ekstremt tæt sammen på silicaoverfladerne, måske så tæt som ≈0,5 nanometer.

Forskerne, ledet af direktøren for centret Jean-Marie Basset, testede derefter katalysatoren ved at opvarme den til 150°C med propan i tre dage. Efter at have optimeret reaktionsbetingelserne - for eksempel ved at lade propanen strømme kontinuerligt over katalysatoren - fandt de ud af, at reaktionens hovedprodukter var ethan og butan, og at hvert par wolfram- og titaniumatomer i gennemsnit kunne katalysere 10.000 cyklusser før miste deres aktivitet. Dette "omsætningstal" er det højeste nogensinde rapporteret for en propanmetatesereaktion.

Denne succes med katalyse ved design, foreslår forskerne, skyldes en forventet samarbejdseffekt mellem de to metaller. Først fjerner et titanium-atom brintatomer fra propan for at danne propen, og derefter bryder et tilstødende wolframatom propen ved sin carbon-carbon-dobbeltbinding og skaber fragmenter, der kan rekombinere til andre carbonhydrider. Forskerne fandt også ud af, at katalysatorpulvere, der kun indeholdt wolfram eller titanium, fungerede meget dårligt; selv når disse to pulvere var fysisk blandet sammen, svarede deres ydeevne ikke til den samarbejdskatalysator.

Teamet håber at designe en endnu bedre katalysator med et højere omsætningstal og en længere levetid. "Vi tror på, at industrien i den nærmeste fremtid kan anvende vores tilgang til produktion af dieselalkaner og mere generelt katalyse ved design," sagde Samantaray.