Løsning af plastikmanglen med en ny kemisk katalysator

I et år, der allerede har ramt produktionsforsyningskæder, endnu en mangel komplicerer producenters og forbrugeres liv:plastik, og fødevareemballagen, bilkomponenter, tøj, medicinsk udstyr og laboratorieudstyr og utallige andre ting, der er afhængige af dem.

Men en ny kemisk katalysator udviklet ved University of Michigan kunne muliggøre produktionen af ​​mere af råvaren til verdens næstmest anvendte plastik. Råstoffet, propylen, bruges til at fremstille plasten polypropylen - 8 millioner tons af det hvert år.

Den nye katalysator, som kan fremstille propylen af ​​naturgas, er mindst 10 gange mere effektiv end nuværende kommercielle katalysatorer. Og den holder 10 gange længere, før den trænger til regenerering. Den er lavet af platin- og tinnanopartikler, der er understøttet af et skelet af silica.

"Industrien har gennem årene skiftet fra råolie til skifergas, " sagde Suljo Linic, Martin Lewis Perl Collegiate Professor of Chemical Engineering ved U-M og seniorforfatter på et papir udgivet i Videnskab . "Så der har været et skub for at finde en måde at producere propylen fra propan på, en komponent af skifergas. Denne katalysator opnår dette mål."

Hemmeligheden bag effektiv 'ikke-oxidativ dehydrogenering'

Propylen er traditionelt blevet produceret på olieraffinaderier i massive dampkrakkere, der nedbryder råolie til lettere kulbrintemolekyler. Men krakning af skifergas for at producere propylen har været ineffektivt.

Den nye katalysator kan effektivt producere propylen - et molekyle med tre kulstofatomer og seks hydrogenatomer - ud fra propan, som har yderligere to hydrogenatomer. Det bruger en proces kaldet ikke-oxidativ dehydrogenering. En af grundene til, at nuværende katalysatorer er ineffektive, er, at de kræver tilsætning af brint til processen. Det gør denne tilgang ikke.

Nøgleinnovationen ved den nye katalysator er, hvordan den bruger silica som en støttestruktur for platin- og tinnanopartiklerne, snarere end det aluminiumoxid, der bruges i nuværende katalysatorer. Alumina reagerer med tin, hvilket får det til at skille sig fra platinet og nedbryde katalysatoren. Fordi den nye katalysator afholder denne reaktion, den har længere levetid.

"Silica som støtte til platin-tin nanopartikler er blevet prøvet før, men konventionelle synteseteknikker var ikke præcise nok til at muliggøre tæt interaktion mellem platin og tin, " sagde Ali Hussain Motagamwala, U-M postdocstipendiat og førsteforfatter på papiret.

"Vi overvandt dette ved først at syntetisere et platin-tin kompleks med fremragende interaktion. Vi understøttede derefter dette kompleks på silica for at producere en meget veldefineret katalysator, der er aktiv, selektiv og stabil under ikke-oxidativ propandehydrogenering."

En nøgle til kommercialisering vil være at finde en måde at regenerere katalysatoren, efter at den er blevet forurenet af kulstof. Selvom nuværende katalysatorer er kortvarige, Linic siger, den kemiske industri har udviklet et indviklet system, der kan regenerere den forurenede katalysator hurtigt og effektivt. Et lignende system skal udvikles til den nye katalysator.

Stabiliserende propylenforsyninger

"At bygge den slags anlæg, der ville køre denne proces i kommerciel skala, ville være en massiv investering, og af den grund, den kemiske industri har en tendens til at bevæge sig langsomt, " sagde Linic. "Denne katalysator er meget god, men regenerering er det næste store spørgsmål."

Mens katalysatoren stadig er på forskningsstadiet, det rummer muligheden for at styrke verdens propylenforsyninger, som er blevet udtømt af stigende global efterspørgsel, COVID-drevne produktionsproblemer og en række orkan-relaterede nedlukninger på Gulf Coast olieraffinaderier, der producerer kemikaliet.

Artiklen har titlen "Stabile og selektive katalysatorer til propandehydrogenering, der opererer ved termodynamisk grænse."