Un catalyseur très efficace qui convertit le gaz propane en hydrocarbures plus lourds a été développé par l'Université des sciences et technologies du roi Abdallah d'Arabie saoudite. (KAUST) chercheurs. Il accélère considérablement une réaction chimique connue sous le nom de métathèse des alcanes, qui pourrait être utilisée pour produire des carburants liquides.

Le catalyseur réorganise le propane, qui contient trois atomes de carbone, en d'autres molécules, telles que le butane (contenant quatre carbones), le pentane (avec cinq carbones) et l'éthane (avec deux carbones). "Notre objectif est de convertir les alcanes de poids moléculaire inférieur en alcanes précieux de la gamme diesel", a déclaré Manoja Samantaray du centre de catalyse KAUST.

Au cœur du catalyseur se trouvent des composés de deux métaux, le titane et le tungstène, ancrés à une surface de silice via des atomes d'oxygène. La stratégie utilisée était la catalyse par conception. Des études antérieures ont montré que les catalyseurs monométalliques remplissaient deux fonctions : l'alcane en oléfine, puis la métathèse de l'oléfine. Le titane a été choisi en raison de sa capacité à activer la liaison CH des paraffines pour les transformer en oléfines, et le tungstène a été choisi pour sa forte activité pour la métathèse des oléfines.

Pour créer le catalyseur, l’équipe a chauffé de la silice pour éliminer autant d’eau que possible, puis a ajouté de l’hexaméthyltungstène et du tétranéopentyltitane, formant une poudre jaune clair. Les chercheurs ont étudié le catalyseur en utilisant la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) pour montrer que les atomes de tungstène et de titane sont extrêmement rapprochés sur les surfaces de silice, peut-être aussi proches que ≈0,5 nanomètres.

Les chercheurs, dirigés par le directeur du centre Jean-Marie Basset, ont ensuite testé le catalyseur en le chauffant à 150°C avec du propane pendant trois jours. Après avoir optimisé les conditions de réaction, par exemple en permettant au propane de circuler en continu sur le catalyseur, ils ont découvert que les principaux produits de la réaction étaient l'éthane et le butane et que chaque paire d'atomes de tungstène et de titane pouvait catalyser en moyenne 10 000 cycles avant perdre leur activité. Ce « nombre de rotation » est le plus élevé jamais rapporté pour une réaction de métathèse du propane.

Ce succès de la catalyse par conception, proposent les chercheurs, est dû à un effet coopératif attendu entre les deux métaux. Tout d’abord, un atome de titane élimine les atomes d’hydrogène du propane pour former du propène, puis un atome de tungstène voisin brise le propène au niveau de sa double liaison carbone-carbone, créant ainsi des fragments qui peuvent se recombiner en d’autres hydrocarbures. Les chercheurs ont également découvert que les poudres catalytiques contenant uniquement du tungstène ou du titane étaient très peu performantes ; même lorsque ces deux poudres étaient physiquement mélangées, leurs performances ne correspondaient pas au catalyseur coopératif.

L'équipe espère concevoir un catalyseur encore meilleur, avec un chiffre d'affaires plus élevé et une durée de vie plus longue. "Nous pensons que dans un avenir proche, l'industrie pourra adopter notre approche de production d'alcanes de type diesel et plus généralement de catalyse dès la conception", a déclaré Samantaray.