Ein hocheffizienter Katalysator, der Propangas in schwerere Kohlenwasserstoffe umwandelt, wurde von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien entwickelt. (KAUST) Forscher. Es beschleunigt eine chemische Reaktion, die sogenannte Alkanmetathese, die zur Herstellung flüssiger Kraftstoffe genutzt werden könnte, erheblich.

Der Katalysator wandelt Propan, das drei Kohlenstoffatome enthält, in andere Moleküle um, beispielsweise Butan (mit vier Kohlenstoffatomen), Pentan (mit fünf Kohlenstoffatomen) und Ethan (mit zwei Kohlenstoffatomen). „Unser Ziel ist es, Alkane mit niedrigerem Molekulargewicht in wertvolle Dieselalkane umzuwandeln“, sagte Manoja Samantaray vom KAUST Catalysis Center.

Das Herzstück des Katalysators sind Verbindungen aus zwei Metallen, Titan und Wolfram, die über Sauerstoffatome an einer Silica-Oberfläche verankert sind. Die verwendete Strategie war „Catalysis by Design“. Frühere Studien zeigten, dass monometallische Katalysatoren zwei Funktionen erfüllen: Alkan zu Olefin und dann Olefinmetathese. Titan wurde wegen seiner Fähigkeit ausgewählt, die CH-Bindung von Paraffinen zu aktivieren, um sie in Olefine umzuwandeln, und Wolfram wurde wegen seiner hohen Aktivität bei der Olefinmetathese ausgewählt.

Um den Katalysator herzustellen, erhitzte das Team Kieselsäure, um so viel Wasser wie möglich zu entfernen, und fügte dann Hexamethylwolfram und Tetraneopentyltitan hinzu, wodurch ein hellgelbes Pulver entstand. Die Forscher untersuchten den Katalysator mittels Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und zeigten, dass die Wolfram- und Titanatome auf den Siliziumoxidoberflächen extrem nahe beieinander liegen, möglicherweise nur ≈0,5 Nanometer.

Anschließend testeten die Forscher unter der Leitung des Direktors des Zentrums Jean-Marie Basset den Katalysator, indem sie ihn drei Tage lang mit Propan auf 150 °C erhitzten. Nachdem sie die Reaktionsbedingungen optimiert hatten – indem sie beispielsweise das Propan kontinuierlich über den Katalysator strömen ließen – stellten sie fest, dass die Hauptprodukte der Reaktion Ethan und Butan waren und dass jedes Paar aus Wolfram- und Titanatomen durchschnittlich 10.000 Zyklen vorher katalysieren konnte ihre Aktivität verlieren. Diese „Umsatzzahl“ ist die höchste, die jemals für eine Propan-Metathesereaktion gemeldet wurde.

Dieser Erfolg der Katalyse durch Design, so schlagen die Forscher vor, ist auf einen erwarteten kooperativen Effekt zwischen den beiden Metallen zurückzuführen. Zuerst entfernt ein Titanatom Wasserstoffatome aus Propan, um Propen zu bilden, und dann bricht ein benachbartes Wolframatom Propen an seiner Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindung auf, wodurch Fragmente entstehen, die sich zu anderen Kohlenwasserstoffen rekombinieren können. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass Katalysatorpulver, die nur Wolfram oder Titan enthielten, eine sehr schlechte Leistung erbrachten; Selbst wenn diese beiden Pulver physikalisch miteinander vermischt wurden, reichte ihre Leistung nicht an die des kooperativen Katalysators heran.

Das Team hofft, einen noch besseren Katalysator mit einer höheren Umsatzzahl und einer längeren Lebensdauer zu entwickeln. „Wir glauben, dass die Industrie in naher Zukunft unseren Ansatz zur Herstellung von Alkanen im Dieselbereich und ganz allgemein der Katalyse durch Design übernehmen kann“, sagte Samantaray.