Un catalizzatore altamente efficiente che converte il gas propano in idrocarburi più pesanti è stato sviluppato dall’Università di Scienza e Tecnologia King Abdullah dell’Arabia Saudita. (KAUST) ricercatori. Accelera significativamente una reazione chimica nota come metatesi degli alcani, che potrebbe essere utilizzata per produrre combustibili liquidi.

Il catalizzatore riorganizza il propano, che contiene tre atomi di carbonio, in altre molecole, come butano (contenente quattro atomi di carbonio), pentano (con cinque atomi di carbonio) ed etano (con due atomi di carbonio). "Il nostro obiettivo è convertire gli alcani a basso peso molecolare in preziosi alcani della gamma diesel", ha affermato Manoja Samantaray del Centro di catalisi KAUST.

Nel cuore del catalizzatore ci sono composti di due metalli, titanio e tungsteno, che sono ancorati ad una superficie di silice tramite atomi di ossigeno. La strategia utilizzata è stata la catalisi fin dalla progettazione. Studi precedenti hanno dimostrato che i catalizzatori monometallici erano coinvolti in due funzioni: da alcano a olefina e quindi metatesi dell'olefina. Il titanio è stato scelto per la sua capacità di attivare il legame CH delle paraffine per trasformarle in olefine, mentre il tungsteno è stato scelto per la sua elevata attività per la metatesi delle olefine.

Per creare il catalizzatore, il team ha riscaldato la silice per rimuovere quanta più acqua possibile e poi ha aggiunto esametil tungsteno e tetraneopentile titanio, formando una polvere giallo chiaro. I ricercatori hanno studiato il catalizzatore utilizzando la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR) per dimostrare che gli atomi di tungsteno e titanio si trovano estremamente vicini tra loro sulle superfici di silice, forse fino a ≈0,5 nanometri.

I ricercatori, guidati dal direttore del centro Jean-Marie Basset, hanno poi testato il catalizzatore riscaldandolo a 150°C con propano per tre giorni. Dopo aver ottimizzato le condizioni di reazione, ad esempio consentendo al propano di fluire continuamente sul catalizzatore, hanno scoperto che i principali prodotti della reazione erano etano e butano e che ciascuna coppia di atomi di tungsteno e titanio poteva catalizzare in media 10.000 cicli prima di perdendo la loro attività. Questo “numero di turnover” è il più alto mai riportato per una reazione di metatesi del propano.

Questo successo della catalisi fin dalla progettazione, propongono i ricercatori, è dovuto a un previsto effetto cooperativo tra i due metalli. Innanzitutto, un atomo di titanio rimuove gli atomi di idrogeno dal propano per formare propene, quindi un atomo di tungsteno vicino rompe il propene nel suo doppio legame carbonio-carbonio, creando frammenti che possono ricombinarsi in altri idrocarburi. I ricercatori hanno anche scoperto che le polveri catalizzatrici contenenti solo tungsteno o titanio funzionavano molto male; anche quando queste due polveri venivano fisicamente miscelate insieme, le loro prestazioni non corrispondevano a quelle del catalizzatore cooperativo.

Il team spera di progettare un catalizzatore ancora migliore con un numero di turnover più elevato e una durata più lunga. “Crediamo che nel prossimo futuro l’industria possa adottare il nostro approccio per la produzione di alcani della gamma diesel e, più in generale, di catalisi fin dalla progettazione”, ha affermato Samantaray.