Ένας εξαιρετικά αποδοτικός καταλύτης που μετατρέπει το αέριο προπάνιο σε βαρύτερους υδρογονάνθρακες αναπτύχθηκε από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας King Abdullah της Σαουδικής Αραβίας. (KAUST) ερευνητές. Επιταχύνει σημαντικά μια χημική αντίδραση γνωστή ως μετάθεση αλκανίων, η οποία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή υγρών καυσίμων.

Ο καταλύτης αναδιατάσσει το προπάνιο, το οποίο περιέχει τρία άτομα άνθρακα, σε άλλα μόρια, όπως το βουτάνιο (που περιέχει τέσσερις άνθρακες), το πεντάνιο (με πέντε άνθρακες) και το αιθάνιο (με δύο άνθρακες). «Στόχος μας είναι να μετατρέψουμε αλκάνια χαμηλότερου μοριακού βάρους σε πολύτιμα αλκάνια εμβέλειας ντίζελ», δήλωσε η Manoja Samantaray από το KAUST Catalysis Center.

Στην καρδιά του καταλύτη βρίσκονται ενώσεις δύο μετάλλων, του τιτανίου και του βολφραμίου, τα οποία είναι αγκυρωμένα σε μια επιφάνεια πυριτίου μέσω ατόμων οξυγόνου. Η στρατηγική που χρησιμοποιήθηκε ήταν κατάλυση από το σχεδιασμό. Προηγούμενες μελέτες έδειξαν ότι οι μονομεταλλικοί καταλύτες εμπλέκονται σε δύο λειτουργίες: το αλκάνιο σε ολεφίνη και μετά τη μετάθεση ολεφίνης. Το τιτάνιο επιλέχθηκε λόγω της ικανότητάς του να ενεργοποιεί τον δεσμό CH των παραφινών για να τις μετατρέπει σε ολεφίνες και το βολφράμιο επιλέχθηκε για την υψηλή του δράση για μετάθεση ολεφινών.

Για να δημιουργήσει τον καταλύτη, η ομάδα θέρμανε πυρίτιο για να αφαιρέσει όσο το δυνατόν περισσότερο νερό και στη συνέχεια πρόσθεσε εξαμεθυλοβολφράμιο και τετρανεοπεντυλο τιτάνιο, σχηματίζοντας μια ανοιχτοκίτρινη σκόνη. Οι ερευνητές μελέτησαν τον καταλύτη χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) για να δείξουν ότι τα άτομα βολφραμίου και τιτανίου βρίσκονται πολύ κοντά μεταξύ τους στις επιφάνειες του πυριτίου, ίσως τόσο κοντά σε ≈0,5 νανόμετρα.

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον διευθυντή του κέντρου Jean-Marie Basset, δοκίμασαν στη συνέχεια τον καταλύτη θερμαίνοντάς τον στους 150°C με προπάνιο για τρεις ημέρες. Μετά τη βελτιστοποίηση των συνθηκών αντίδρασης - για παράδειγμα, επιτρέποντας στο προπάνιο να ρέει συνεχώς πάνω από τον καταλύτη - ανακάλυψαν ότι τα κύρια προϊόντα της αντίδρασης ήταν αιθάνιο και βουτάνιο και ότι κάθε ζεύγος ατόμων βολφραμίου και τιτανίου μπορούσε να καταλύσει κατά μέσο όρο 10.000 κύκλους πριν χάνουν τη δραστηριότητά τους. Αυτός ο «αριθμός κύκλου εργασιών» είναι ο υψηλότερος που έχει αναφερθεί ποτέ για αντίδραση μετάθεσης προπανίου.

Αυτή η επιτυχία της κατάλυσης από το σχεδιασμό, προτείνουν οι ερευνητές, οφείλεται σε ένα αναμενόμενο συνεργατικό αποτέλεσμα μεταξύ των δύο μετάλλων. Πρώτα, ένα άτομο τιτανίου αφαιρεί άτομα υδρογόνου από το προπάνιο για να σχηματίσει προπένιο και στη συνέχεια ένα γειτονικό άτομο βολφραμίου διασπά το προπένιο στον διπλό δεσμό άνθρακα-άνθρακα, δημιουργώντας θραύσματα που μπορούν να ανασυνδυαστούν σε άλλους υδρογονάνθρακες. Οι ερευνητές διαπίστωσαν επίσης ότι οι σκόνες καταλύτη που περιέχουν μόνο βολφράμιο ή τιτάνιο είχαν πολύ κακή απόδοση. Ακόμη και όταν αυτές οι δύο σκόνες αναμειγνύονταν φυσικά μεταξύ τους, η απόδοσή τους δεν ταίριαζε με τον συνεργατικό καταλύτη.

Η ομάδα ελπίζει να σχεδιάσει έναν ακόμη καλύτερο καταλύτη με υψηλότερο αριθμό κύκλου εργασιών και μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. "Πιστεύουμε ότι στο εγγύς μέλλον, η βιομηχανία μπορεί να υιοθετήσει την προσέγγισή μας για την παραγωγή αλκανίων εμβέλειας ντίζελ και γενικότερα κατάλυσης από το σχεδιασμό", δήλωσε ο Samantaray.