Polypropylen ist ein gängiger Kunststofftyp, der in vielen heute verwendeten Produkten wie Lebensmittelbehältern und medizinischen Geräten verwendet wird. Da Polypropylen so beliebt ist, steigt die Nachfrage nach einer Chemikalie, aus der es hergestellt wird. Diese Chemikalie, Propylen, kann aus Propan hergestellt werden. Propan ist ein Erdgas, das häufig in Grills verwendet wird.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory und des Ames National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) berichten nun über eine schnellere und energieeffizientere Methode zur Herstellung von Propylen als das derzeit verwendete Verfahren. Die Forschung ist veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Society.
Bei der Umwandlung von Propan in Propylen wird üblicherweise ein Metallkatalysator wie Chrom oder Platin auf einem Trägermaterial wie Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid eingesetzt. Der Katalysator beschleunigt die Reaktion. Allerdings erfordert er auch hohe Betriebstemperaturen und einen hohen Energieverbrauch.
In einem Gemeinschaftsprojekt haben Wissenschaftler aus Argonne und Ames herausgefunden, dass Zirkonium in Kombination mit Siliziumnitrid die katalytische Umwandlung von Propangas in Propylen verbessert. Dabei erfolgt die Reaktion schneller, es ist weniger giftig und es wird weniger Energie verbraucht als bei anderen unedlen Metallen wie Chrom. Außerdem ist es weniger teuer als Katalysatoren aus Edelmetallen wie Platin.
Diese Entdeckung zeigt auch, wie man die Temperatur des katalytischen Prozesses senken kann. Dies wiederum verringert die Menge des freigesetzten Kohlendioxids. Kohlendioxid ist für fast 80 % der Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten verantwortlich.
Darüber hinaus gibt diese Forschung einen Einblick in die Reaktivität, die mit anderen kostengünstigen Metallen bei der katalytischen Umwandlung von Propan in Propylen erreichbar ist.
Die Chemiker David Kaphan und Max Delferro von Argonne untersuchen seit einiger Zeit systematisch, wie nicht-traditionelle Oberflächen die Katalyse beeinflussen und fördern. Als leitende Forscher dieser Studie wollten sie verstehen, wie sich ein nicht-traditioneller Metallkatalysator auf einem nicht-traditionellen Trägertyp im Vergleich zu traditionell verwendeten Materialien bei der katalytischen Umwandlung von Propan schlägt.
Katalysatorträgermaterialien haben typischerweise große Oberflächen und helfen bei der Verteilung von Katalysatoren. Wie diese Studie zeigt, können sie auch eine wichtige Rolle bei der Förderung der Katalyse spielen.
Das Forschungsteam stellte fest, dass ein Zirkoniumkatalysator auf einem Siliziumnitridträger eine deutlich aktivere Katalyse bei der Umwandlung von Propan in Propylen ergab. Beim Siliziumdioxidträger war dies hingegen nicht der Fall.
Sie fanden außerdem heraus, dass der Siliziumnitridträger eine Katalyse ermöglichte, die schneller und energieeffizienter war als bei herkömmlichen Metallen auf Siliziumdioxid. Als Katalysatorträger kann Siliziumnitrid chemische Reaktionen auf der Oberfläche von Metallen im Vergleich zu traditionell verwendeten Oxiden verbessern.
Die Wissenschaftler erreichten die katalytische Umwandlung von Propan bei einer Temperatur von 450 °C. Das ist etwas niedriger als die 590 °C, die normalerweise für die Katalyse mit herkömmlichen Materialien erforderlich sind. Darüber hinaus waren die Reaktionsraten bei der gleichen Temperatur wie bei herkömmlichen Katalysatoren für diese Umwandlung deutlich höher als bei ähnlichen Materialien mit Oxidträgern.
Diese Entdeckung liefert auch den Beweis, dass dieses Konzept auf andere wichtige Reaktionen verallgemeinert werden kann.
„Dies bietet einen Einblick in die Reaktivität von nitridgestützten Metallen. Wir sehen Potenzial in der Verwendung anderer Übergangsmetalle, bei denen wir diesen Unterschied in der lokalen Umgebung der Nitridoberfläche nutzen können, um die Katalyse zu verbessern“, sagte Kaphan.
Diese Forschung profitierte von Argonnes Advanced Photon Source (APS), einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science. An Strahllinie 10-BM verwendeten die Forscher Röntgenabsorptionsspektroskopie, um zu verstehen, wie sich die Wechselwirkung des Zirkoniumkatalysators mit dem Nitridmaterial von der mit dem Oxidmaterial unterscheidet.
Die Forscher von Argonne arbeiteten auch mit Frédéric Perras, einem Wissenschaftler am Ames National Laboratory, zusammen, um die Struktur des Zirkonium/Siliziumnitrid-Katalysators besser zu verstehen. Er verwendete eine dynamische, durch Kernpolarisation verstärkte Kernspinresonanztechnik, um zu analysieren, wie Siliziumnitrid mit Metallstellen reagiert.
„Die Zusammensetzung der Oberfläche von Siliziumnitrid ist weitgehend unbekannt, und das fand ich an dieser Arbeit am spannendsten“, sagte Perras, der auch außerordentlicher Professor an der Iowa State University ist.
Laut Delferro hat die Kombination der in Argonne und Ames verfügbaren Materialcharakterisierungstechniken und die Fachkompetenz der an dieser Arbeit beteiligten Personen zum Erfolg dieses Experiments beigetragen.
„Eine Person kann nicht alles machen. Dies ist wirklich eine Teamleistung, und jeder hat sein Fachwissen eingebracht, um dieses Ziel zu erreichen“, sagte er.
Zu den Forschungsautoren zählen neben Delferro, Kaphan und Perras Joshua DeMuth, Yu Lim Kim, Jacklyn Hall, Zoha Syed, Kaixi Deng, Magali Ferrandon, A. Jeremy Kropf und Liu Cong.
Mehr Informationen:
Joshua C. DeMuth et al, Siliziumnitrid-Oberfläche ermöglicht Propan-Dehydrierung katalysiert durch unterstütztes Organozirkonium, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.4c02776