Wysoce wydajny katalizator, który przekształca propan w cięższe węglowodory, został opracowany na Uniwersytecie Naukowo-Technologicznym Króla Abdullaha w Arabii Saudyjskiej. badaczy (KAUST). Znacząco przyspiesza reakcję chemiczną zwaną metatezą alkanów, która mogłaby zostać wykorzystana do produkcji paliw płynnych.

Katalizator przekształca propan, który zawiera trzy atomy węgla, w inne cząsteczki, takie jak butan (zawierający cztery atomy węgla), pentan (z pięcioma atomami węgla) i etan (z dwoma atomami węgla). „Naszym celem jest przekształcenie alkanów o niższej masie cząsteczkowej w cenne alkany do silników wysokoprężnych” – powiedział Manoja Samantaray z Centrum Katalizy KAUST.

Sercem katalizatora są związki dwóch metali, tytanu i wolframu, które są zakotwiczone na powierzchni krzemionki za pomocą atomów tlenu. Zastosowaną strategią była kataliza z założenia. Poprzednie badania wykazały, że katalizatory monometaliczne pełnią dwie funkcje: alkanu do olefiny, a następnie metatezy olefin. Wybrano tytan ze względu na jego zdolność do aktywacji wiązania CH w parafinach w celu przekształcenia ich w olefiny, a wolfram ze względu na jego wysoką aktywność w metatezie olefin.

Aby stworzyć katalizator, zespół podgrzał krzemionkę, aby usunąć jak najwięcej wody, a następnie dodał heksametylowolfram i tetraneopentyl tytan, tworząc jasnożółty proszek. Naukowcy zbadali katalizator za pomocą spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR), aby wykazać, że atomy wolframu i tytanu leżą bardzo blisko siebie na powierzchni krzemionki, być może nawet około ≈0,5 nanometra.

Naukowcy pod przewodnictwem dyrektora centrum Jean-Marie Basseta przetestowali następnie katalizator, podgrzewając go do 150°C za pomocą propanu przez trzy dni. Po optymalizacji warunków reakcji — na przykład umożliwieniu ciągłego przepływu propanu przez katalizator — odkryli, że głównymi produktami reakcji są etan i butan oraz że każda para atomów wolframu i tytanu może katalizować średnio 10 000 cykli, zanim tracąc swoją aktywność. Ta „liczba obrotów” jest najwyższa, jaką kiedykolwiek odnotowano w przypadku reakcji metatezy propanu.

Naukowcy sugerują, że sukces katalizy już w fazie projektowania wynika z oczekiwanego efektu współpracy między dwoma metalami. Najpierw atom tytanu usuwa atomy wodoru z propanu, tworząc propen, a następnie sąsiedni atom wolframu rozrywa propen na jego podwójnym wiązaniu węgiel-węgiel, tworząc fragmenty, które mogą rekombinować w inne węglowodory. Naukowcy odkryli również, że proszki katalizatora zawierające wyłącznie wolfram lub tytan działały bardzo słabo; nawet gdy te dwa proszki zostały fizycznie zmieszane razem, ich działanie nie dorównywało współpracującemu katalizatorowi.

Zespół ma nadzieję zaprojektować jeszcze lepszy katalizator, charakteryzujący się wyższą liczbą obrotów i dłuższą żywotnością. „Wierzymy, że w najbliższej przyszłości przemysł może przyjąć nasze podejście do produkcji alkanów do silników diesla i, ogólniej, do projektowania katalizy w fazie projektowania” – powiedział Samantaray.