En mycket effektiv katalysator som omvandlar propangas till tyngre kolväten har utvecklats av Saudiarabiens kung Abdullah University of Science and Technology. (KAUST) forskare. Det påskyndar avsevärt en kemisk reaktion känd som alkanmetates, som kan användas för att producera flytande bränslen.

Katalysatorn omarrangerar propan, som innehåller tre kolatomer, till andra molekyler, såsom butan (som innehåller fyra kol), pentan (med fem kol) och etan (med två kol). "Vårt mål är att omvandla alkaner med lägre molekylvikt till värdefulla dieselalkaner", säger Manoja Samantaray från KAUST Catalysis Center.

I hjärtat av katalysatorn finns föreningar av två metaller, titan och volfram, som är förankrade till en kiselyta via syreatomer. Strategin som användes var designad katalys. Tidigare studier visade att monometalliska katalysatorer var engagerade i två funktioner: alkan till olefin och sedan olefinmetates. Titan valdes på grund av dess förmåga att aktivera CH-bindningen av paraffiner för att omvandla dem till olefiner, och volfram valdes för sin höga aktivitet för olefinmetates.

För att skapa katalysatorn värmde teamet kiseldioxid för att avlägsna så mycket vatten som möjligt och tillsatte sedan hexametylvolfram och tetraneopentyltitan, vilket bildade ett ljusgult pulver. Forskarna studerade katalysatorn med hjälp av kärnmagnetisk resonans (NMR)-spektroskopi för att visa att volfram- och titanatomerna ligger extremt nära varandra på kiseldioxidytorna, kanske så nära som ≈0,5 nanometer.

Forskarna, ledda av chefen för centret Jean-Marie Basset, testade sedan katalysatorn genom att värma den till 150°C med propan i tre dagar. Efter att ha optimerat reaktionsförhållandena - till exempel genom att låta propanen rinna kontinuerligt över katalysatorn - fann de att reaktionens huvudprodukter var etan och butan och att varje par volfram- och titanatomer kunde katalysera i genomsnitt 10 000 cykler innan förlora sin aktivitet. Detta "omsättningstal" är det högsta som någonsin rapporterats för en propanmetatesreaktion.

Denna framgång med katalys genom design, föreslår forskarna, beror på en förväntad samverkanseffekt mellan de två metallerna. Först tar en titanatom bort väteatomer från propan för att bilda propen och sedan bryter en intilliggande volframatom upp propen vid sin kol-kol dubbelbindning, vilket skapar fragment som kan rekombineras till andra kolväten. Forskarna fann också att katalysatorpulver som endast innehåller volfram eller titan presterade mycket dåligt; även när dessa två pulver var fysiskt blandade, matchade deras prestanda inte den kooperativa katalysatorn.

Teamet hoppas kunna designa en ännu bättre katalysator med ett högre omsättningstal och en längre livslängd. "Vi tror att industrin inom en snar framtid kan anta vårt tillvägagångssätt för att producera dieselalkaner och mer allmänt av katalys genom design", säger Samantaray.