Высокоэффективный катализатор, преобразующий газообразный пропан в более тяжелые углеводороды, был разработан Университетом науки и технологий имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии. (КАУСТ) исследователи. Он значительно ускоряет химическую реакцию, известную как метатезис алканов, которую можно использовать для производства жидкого топлива.

Катализатор перестраивает пропан, который содержит три атома углерода, в другие молекулы, такие как бутан (содержащий четыре углерода), пентан (с пятью атомами углерода) и этан (с двумя атомами углерода). «Наша цель — превратить алканы с низкой молекулярной массой в ценные алканы, пригодные для дизельных двигателей», — сказал Маноджа Самантарай из Центра катализа KAUST.

В основе катализатора лежат соединения двух металлов, титана и вольфрама, которые прикреплены к поверхности кремнезема посредством атомов кислорода. Используемая стратегия была катализом по замыслу. Предыдущие исследования показали, что монометаллические катализаторы выполняют две функции: превращение алкана в олефин и затем метатезис олефинов. Титан был выбран из-за его способности активировать связь CH парафинов для превращения их в олефины, а вольфрам был выбран из-за его высокой активности в метатезисе олефинов.

Чтобы создать катализатор, команда нагрела кремнезем, чтобы удалить как можно больше воды, а затем добавила гексаметил вольфрам и тетранеопентил титан, образовав светло-желтый порошок. Исследователи изучили катализатор с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и показали, что атомы вольфрама и титана расположены очень близко друг к другу на поверхности кремнезема, возможно, на расстоянии ≈0,5 нанометра.

Исследователи под руководством директора центра Жана-Мари Бассе протестировали катализатор, нагревая его до 150°C пропаном в течение трех дней. Оптимизировав условия реакции — например, позволив пропану непрерывно течь над катализатором — они обнаружили, что основными продуктами реакции являются этан и бутан и что каждая пара атомов вольфрама и титана может катализировать в среднем 10 000 циклов, прежде чем теряют свою активность. Это «число оборота» является самым высоким из когда-либо зарегистрированных для реакции метатезиса пропана.

Исследователи предполагают, что такой успех катализа обусловлен ожидаемым совместным эффектом между двумя металлами. Сначала атом титана удаляет атомы водорода из пропана, образуя пропен, а затем соседний атом вольфрама разрывает пропен по его двойной углерод-углеродной связи, создавая фрагменты, которые могут рекомбинировать в другие углеводороды. Исследователи также обнаружили, что порошки катализаторов, содержащие только вольфрам или титан, работают очень плохо; даже когда эти два порошка были физически смешаны вместе, их характеристики не соответствовали характеристикам кооперативного катализатора.

Команда надеется разработать еще лучший катализатор с более высоким числом оборотов и более длительным сроком службы. «Мы считаем, что в ближайшем будущем промышленность сможет перенять наш подход к производству алканов для дизельных двигателей и, в более общем плане, к катализу по конструкции», — сказал Самантарай.