Een zeer efficiënte katalysator die propaangas omzet in zwaardere koolwaterstoffen is ontwikkeld door de Koning Abdullah Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Saoedi-Arabië. (KAUST) onderzoekers. Het versnelt aanzienlijk een chemische reactie die bekend staat als alkaanmetathese en die zou kunnen worden gebruikt om vloeibare brandstoffen te produceren.

De katalysator herschikt propaan, dat drie koolstofatomen bevat, in andere moleculen, zoals butaan (met vier koolstofatomen), pentaan (met vijf koolstofatomen) en ethaan (met twee koolstofatomen). “Ons doel is om alkanen met een lager molecuulgewicht om te zetten in waardevolle alkanen uit het dieselbereik”, zegt Manoja Samantaray van het KAUST Catalysis Center.

De kern van de katalysator bestaat uit verbindingen van twee metalen, titanium en wolfraam, die via zuurstofatomen aan een silica-oppervlak zijn verankerd. De gebruikte strategie was katalyse door ontwerp. Eerdere studies hebben aangetoond dat monometaalkatalysatoren twee functies vervullen: van alkaan naar olefine en vervolgens metathese van olefine. Er werd gekozen voor titanium vanwege zijn vermogen om de CH-binding van paraffines te activeren en deze om te zetten in olefinen, en wolfraam werd gekozen vanwege zijn hoge activiteit voor olefine-metathese.

Om de katalysator te maken, verwarmde het team silica om zoveel mogelijk water te verwijderen en voegde vervolgens hexamethylwolfraam en tetraneopentyl-titanium toe, waardoor een lichtgeel poeder ontstond. De onderzoekers bestudeerden de katalysator met behulp van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie om aan te tonen dat de wolfraam- en titaniumatomen extreem dicht bij elkaar liggen op de silica-oppervlakken, misschien wel zo dicht als ≈0,5 nanometer.

De onderzoekers, onder leiding van de directeur van het centrum Jean-Marie Basset, testten vervolgens de katalysator door hem gedurende drie dagen met propaan tot 150°C te verwarmen. Na het optimaliseren van de reactieomstandigheden – bijvoorbeeld door het propaan continu over de katalysator te laten stromen – ontdekten ze dat de belangrijkste producten van de reactie ethaan en butaan waren en dat elk paar wolfraam- en titaniumatomen gemiddeld 10.000 cycli kon katalyseren voordat hun activiteit verliezen. Dit “omzetcijfer” is het hoogste dat ooit is gerapporteerd voor een propaanmetathesereactie.

Dit succes van katalyse door ontwerp, zo stellen de onderzoekers, is te danken aan een verwacht coöperatief effect tussen de twee metalen. Eerst verwijdert een titaniumatoom waterstofatomen uit propaan om propeen te vormen en vervolgens breekt een naburig wolfraamatoom propeen open bij zijn dubbele koolstof-koolstofbinding, waardoor fragmenten ontstaan ​​die kunnen recombineren tot andere koolwaterstoffen. De onderzoekers ontdekten ook dat katalysatorpoeders die alleen wolfraam of titanium bevatten, zeer slecht presteerden; zelfs als deze twee poeders fysiek met elkaar werden gemengd, kwamen hun prestaties niet overeen met die van de coöperatieve katalysator.

Het team hoopt een nog betere katalysator te ontwerpen met een hoger omzetcijfer en een langere levensduur. “Wij geloven dat de industrie in de nabije toekomst onze aanpak kan overnemen voor de productie van alkanen uit het dieselassortiment en, meer in het algemeen, van katalyse door ontwerp”, aldus Samantaray.