西北工程研究人員展示了一種新的化學(xué)催化方法，該方法可使用較少的能量來提高丙烯的收率。這些發(fā)現(xiàn)可以支持許多塑料的更節(jié)能生產(chǎn)過程。
作為產(chǎn)量最高的化學(xué)產(chǎn)品之一，每年生產(chǎn)的丙烯價(jià)值超過1000億美元，主要用于生產(chǎn)各種材料的聚丙烯，從汽車零件的注塑到消費(fèi)品。生產(chǎn)丙烯也是能源密集型的，需要約800攝氏度的溫度才能將丙烷氣轉(zhuǎn)化為丙烯。
長期以來，研究人員一直在研究一種稱為氧化脫氫的技術(shù)，該技術(shù)是一種不受丙烷限制且不受高溫限制的丙烯生產(chǎn)方法。該方法使丙烷和氧氣在催化劑上反應(yīng)，生成丙烯和水。但是，由于丙烯比丙烷對氧氣的反應(yīng)性更高，因此該反應(yīng)通常僅產(chǎn)生少量的丙烯。
麥考密克工程學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)教授賈斯汀·諾丁斯坦（Justin Notestein）表示，這種反應(yīng)是有效的，但類似于打開煤氣燒烤爐在家做飯時(shí)，您不會產(chǎn)生丙烯，而只是燃燒丙烷。該研究的共同通訊作者補(bǔ)充說，我們沒有尋找合適的催化劑，而是將氧化脫氫反應(yīng)分解為兩個(gè)部分：脫氫和選擇性氫燃燒，然后設(shè)計(jì)了一種可按特定順序進(jìn)行兩種反應(yīng)的串聯(lián)材料。這產(chǎn)生了到目前報(bào)道過的最高的效率。
3月19日，在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇題為“"Tandem In2O3-Pt/Al2O3 Catalyst for Coupling of Propane Dehydrogenation to Selective H2 Combustion”的論文。溫伯格文理學(xué)院的化學(xué)教授彼得·斯特爾（Peter Stair）是該論文的另一位同時(shí)通訊作者。
在這種新方法中，研究人員設(shè)計(jì)了兩種具有納米級接近度的催化劑：一種鉑基催化劑，可以選擇性地從丙烷中除去氫以生成丙烯；另一種氧化銦基催化劑，可以選擇性地燃燒氫，但不燃燒丙烷或丙烯。
我們發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)確實(shí)很重要， Notestein說，鉑上的氧化銦效果很好。氧化銦上的鉑效果不佳。物理上與氧化銦結(jié)合的鉑不起作用。即使兩種催化劑都可以完成兩種反應(yīng)，這種納米結(jié)構(gòu)也能夠分離和排列反應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)很常見在生物學(xué)上，但是在人造材料上非常罕見。
該小組的測試顯著提高了丙烷產(chǎn)量以生產(chǎn)丙烯。在450攝氏度下，通過單次通過反應(yīng)器，測試可產(chǎn)生30％的收率，同時(shí)確保丙烷中超過75％的碳原子繼續(xù)變成丙烯。相比之下，在沒有氧氣的情況下加熱丙烷時(shí)，收率不可能超過24％，而且所需的催化劑通常不穩(wěn)定。
沒有人證明產(chǎn)量超過了這些熱力學(xué)極限， Notestein說，從效用的角度來看，我們的結(jié)果是第一個(gè)真正證明試圖氧化而不是僅進(jìn)行脫氫反應(yīng)的理由。
該系統(tǒng)的簡單設(shè)計(jì)可以通過調(diào)節(jié)反應(yīng)器條件并改變兩種催化劑組分來進(jìn)一步優(yōu)化。當(dāng)前產(chǎn)生更高產(chǎn)量的方法需要更復(fù)雜和昂貴的工程解決方案。
美國西北部可持續(xù)與能源研究所下屬的催化和表面科學(xué)中心主任Notestein說，由于我們依靠工程技術(shù)方面經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)-建造-測試周期，因此可能還會有更多的改進(jìn)。這些發(fā)現(xiàn)為我們提供了新的成分和合理的策略，以嘗試尋找高性能的催化劑體系。這對于能源消耗非常重要且目前的工程策略可能不可行的小型化工廠尤其有利。 他補(bǔ)充說，該團(tuán)隊(duì)的方法反映了國家科學(xué)基金會的Alkane資源創(chuàng)新和戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型中心（CISTAR）的更大努力，該中心為這項(xiàng)工作提供了資金。
這些發(fā)現(xiàn)還可以進(jìn)一步提高制造許多用于結(jié)構(gòu)和材料應(yīng)用的塑料的能源效率。例如，汽車中的塑料部件使汽車重量更輕，能源效率更高，而聚合物房屋外墻和壁板則經(jīng)久耐用，有助于保持房屋的溫暖和干燥。
Notestein說，塑料雖然受到了很多破壞，但對于現(xiàn)代社會來說是必不可少的，包括努力使社會更加節(jié)能。使用這種新方法制造丙烯和聚丙烯等材料的能源消耗可能會大大降低，這對每個(gè)人來說都是個(gè)好消息。
