Knækker den katalytiske kode

Den nyudviklede evne til at udnytte tidligere utilgængelige skifergasforekomster i løbet af det sidste årti har skabt en rigelig kilde af gasser, herunder metan, ethan og propan, der bruges til at skabe kemisk baserede produkter såsom plast. Men den amerikanske kemiske industri har brug for videnskabsmænd, herunder dem ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, at hjælpe med at gøre den nye råvareforsyning til en konkurrencedygtig teknologisk fordel.

I en række forskningsprogrammer, Argonne-eksperter er ved at finde måder til billigere og mere effektivt at fremstille produkter afledt af skifergasforekomster og identificerer nye veje til at fremstille katalysatorer med højere ydeevne.

"For at maksimere fordelene og drage fordel af nutidens billige kilde til naturgas og naturgasvæsker til at skabe investeringer og arbejdspladser i USA, det er vigtigt at udvikle nye og mere effektive processer relateret til katalytisk omdannelse af naturgas til materialer af højere værdi, " hævdede en rapport fra 2016 fra National Academy of Sciences.

Skifergas er en naturgas, der findes i skiferstensformationer skabt for hundreder af millioner af år siden. Den våde del af skifergas indeholder en række alkaner, en familie af kommercielt vigtige kulbrinter, der omfatter ethan og propan. Den kemiske industri er interesseret i alkaner, der kan omdannes til alkener - en klasse af kulbrinter, der er nyttige til fremstilling af en række materialer, mest polymerer såsom polyethylen og polypropylen. Argonnes katalysevidenskabsprogram har allerede udviklet en succesfuld metode til effektivt at omdanne alkaner til alkener. Nu, forskerne undersøger også, hvordan de kan lave andre forbindelser af interesse for den kemiske industri.

"Målet er at forstå, hvordan man manipulerer single-site katalysatorer på overflader, og hvordan vi kan opnå høj selektivitet for let alkan transformation til merværdiprodukter såsom olefiner, som har fundet udbredt anvendelse i fremstillingsindustrien, " sagde Max Delferro, en Argonne-kemiker, der leder laboratoriets katalysegruppe.

Argonne-forskere fokuserer meget af deres arbejde på single-site katalysatorer på grund af det løfte, de viser for både høj aktivitet og produktselektivitet. Et sådant arbejde har resulteret i to amerikanske patentansøgninger for udvikling af multimetalliske katalysatorer, der selektivt dehydrogenerer n-butan til 1, 3-butadien (BDE). BDE er en primær byggesten af ​​syntetisk gummi, som polymerproducenter har brugt til at fremstille bildæk.

Nuværende procesteknologier til omdannelse af alkaner til alkener involverer alle koksdannelse, en kulstofaflejringsproces, der interfererer med katalytisk aktivitet. "Problemet med koksdannelse er, at du ikke konverterer dit råmateriale til det produkt, du ønsker. Du konverterer det til et biprodukt, " sagde Ted Krause, en kemiingeniør og afdelingsleder i Argonnes Chemical Sciences and Engineering division. Argonnes single-site katalysatorteknologi dehydrogenerer alkaner uden at fremme koksdannelse.

Arbejdet er rettet mod en række katalysatorer og reaktioner, som private virksomheder kan vælge til optimering og kommercialisering. "Et af hovedmålene er at overføre viden fra den grundlæggende energividenskabelige side til markederne, " sagde Delferro.

Krause leder et andet projekt, finansieret gennem DOE's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Bioenergy Technologies Office. I dette projekt, forskere bruger røntgenspektroskopi ved Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science brugerfacilitet, at forstå, hvordan katalysatorer reagerer, og hvordan de deaktiveres.

Argonnes katalyseforskere arbejder sammen med flere virksomheder inden for biobrændstoffer og biokemisk industri gennem samarbejdsaftaler for at fremme udviklingen af ​​katalytiske materialer. I APS-eksperimenter, Argonne-forskere undersøger katalytiske reaktioner med en røntgenstråle for at overvåge de ændringer, som katalysatorer gennemgår under faktiske arbejdsforhold.

Katalysevidenskab har været en APS grundpille, siden APS startede driften i 1996. In situ og operando eksperimentering er en vigtig styrke ved APS, muliggør målinger under virkelige forhold, sagde Greg Halder, forretningsudviklingschef i Argonnes Technology Commercialization and Partnerships division.

"Disse tilgange spænder over en række strålelinjer, der giver industrien mulighed for at se reaktioner ske i realtid og måle katalytisk ydeevne ved præcist at overvåge en række kemiske og fysiske egenskaber, " sagde Halder. "Denne information kan derefter kombineres med eksperimentelle og beregningsmæssige data og ekspertise for at udvikle den næste generation af katalysatorer."

Argonne-forskere specialiserer sig i at forstå, hvorfor katalysatorer deaktiveres - hvorfor de dør - og i at udvikle teknikker til at afbøde denne proces.

"Katalysatorens levetid er en kritisk omkostningsfaktor, " sagde Krause. "Hvis den er kort, du har brug for en regenereringsproces, fordi omkostningerne ved at udskifte den med frisk katalysator kan være uoverkommelige. Selv for langsigtede katalysatorer, når de begynder at deaktivere med tiden, du har en tendens til at miste selektivitet til det ønskede produkt, så du har en tendens til at lave mindre af dit ønskede produkt."

Chris Marshall, en senior forskningskemiker i katalysegruppen, leder et DOE EERE Advanced Manufacturing Office-finansieret projekt for at udvikle kapaciteter til at forlænge katalysatorens levetid. "Vi har udviklet teknikker til at stabilisere katalysatorer, især under hårde reaktionsforhold, " sagde Krause.

Ud over sin ekspertise, Argonne er udstyret med infrastruktur, der accelererer opdagelsen af ​​både materialer og procesforhold. Laboratoriets katalysatorværktøj til syntese af atomlagsaflejring giver præcis kontrol over processen på atomniveau, og Argonnes high-throughput robotsynteseplatform screener flere katalysatorer samtidigt for en lang række reaktioner og reaktionsbetingelser.