Kerne-skal kemisk looping øger effektiviteten af ​​en grønnere tilgang til ethylenproduktion

Ethylen kaldes nogle gange det vigtigste kemikalie i den petrokemiske industri, fordi det tjener som råmateriale til et stort udvalg af dagligdagsprodukter. Det bruges til at fremstille frostvæske, vinyl, syntetisk gummi, skumisolering og plast af enhver art.

I øjeblikket produceres ethylen gennem en energi- og ressourcekrævende proces kaldet dampkrakning, hvor ekstreme temperaturer og tryk producerer ethylen fra råolie i nærværelse af damp - og i processen udsender tonsvis af kuldioxid til atmosfæren.

En anden måde, hvorpå ethylen kan fremstilles, er imidlertid gennem en proces, der kaldes oxidativ kobling af methan (OCM). Det har potentialet til at være et grønnere alternativ til dampkrakning, men indtil for nylig har mængden af ​​ethylen, det giver, ikke gjort processen økonomisk rentabel.

"Indtil videre har det katalytiske udbytte været under 30 % for en enkelt passage, hvilket betyder, at man bare passerer metan og ilt gennem katalysatoren og får ethylen på den anden side," siger Bar Mosevitzky Lis, en postdoktoral forskningsassistent ved Institut for Kemisk og Biomolecular Engineering i Lehigh University's P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science.

"Undersøgelser, der har simuleret hele den industrielle proces ved hjælp af OCM, har vist, at teknologien ikke bliver rentabel, før udbyttet af enkelt gennemløb når mellem 30 og 35 %."

OCM er nu et skridt tættere på at forlade laboratoriet og komme ind i den virkelige verden. For første gang har forskere ved North Carolina State University (NCSU) og Lehigh University i samarbejde med forskere fra Guangzhou Institute of Energy Conversion og East China University of Science and Technology udviklet en OCM-katalysator, der overstiger 30 %, når den kommer til fremstilling af ethylen.

Papiret, der beskriver deres gennembrud, blev for nylig offentliggjort i Nature Communications .

Samarbejdet blev ledet af Fanxing Li, Alcoa professor i ingeniørvidenskab ved NCSU. Hans team udviklede en klasse af core-shell Li₂ CO₃ -coatede blandede sjældne jordarters oxider som katalysatorer til den oxidative kobling af metan ved hjælp af et kemisk looping-skema. Resultatet var et single-pass udbytte på op til 30,6 %.

"Idéen med kemisk looping er, at i stedet for at lave en co-feed af metan og ilt ind i kammeret med katalysatoren, så gør du det sekventielt," siger Mosevitzky Lis, som også er en af ​​undersøgelsens medforfattere.

"Over tid mister du ilt fra katalysatoren, og den bliver ineffektiv. Med kemisk looping starter du med metan, skifter derefter til ilt og derefter tilbage til metan, og ilten tjener til konstant at reoxidere katalysatoren og derved genopbygge dens evne til at levere oxygen til reaktionen."

Mosevitzky Lis og hans team på Lehigh – ledet af Israel Wachs, G. Whitney Snyder professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og direktør for Operando Molecular Spectroscopy and Catalysis Research Lab – foretog karakteriseringen af ​​katalysatoren.

"Vores specialisering er med in situ overfladekarakterisering," siger Mosevitzky Lis, "det betyder, at vi karakteriserer overfladen af ​​katalysatorer, mens reaktionen kører. Vi anvender en bred vifte af fysiske og kemiske teknikker til at forstå de transformationer, katalysatorer gennemgår, mens den katalytiske reaktion kører. på deres overflade, og hvordan disse transformationer relaterer sig til, hvad der gør dem til så gode katalysatorer."

Han siger, at katalysatoren er sammensat af en blandet oxidkerne dækket af lithiumcarbonat, og interaktionen mellem kernen og skallen under kemisk looping er ansvarlig for det høje udbytte. Resultaterne betyder, at opgradering af metan – som findes i naturgas og biogas – til ethylen for første gang kan være inden for rækkevidde for industrien.

"OCM har potentialet til at være billigere og mere effektivt, når det kommer til energi og emissioner," siger han. "Plus, i stedet for at bruge råolie, bruger du metan, der typisk kommer fra naturgas, men som også kan genereres i fremtiden fra biogas og den elektrokemiske reduktion af kuldioxid. Og når du først har ethylen, er du i stand til at transformere det til utallige produkter, der bruges af hele verden."

Det næste trin er at bestemme katalysatorens egnethed til produktion i industriel skala, mens man forsøger at presse udbyttet endnu længere op. For nu er det imidlertid en milepæl at have forbedret en metode, der har været et uopfyldt løfte siden 1980'erne.

"Det indviklede i systemet og den dynamik, der finder sted, det er næsten som kunst," siger Mosevitzky Lis. "Både kernen og skallen af ​​katalysatoren gennemgår meget ekstreme processer, der genererer alle mulige interessante ting på overfladen. Det er smukt."

Flere oplysninger: Kun Zhao et al., Lithiumcarbonat-fremmede blandede sjældne jordarters oxider som en generaliseret strategi for oxidativ kobling af metan med exceptionelle udbytter, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43682-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Lehigh University