在已經(jīng)重創(chuàng)制造業(yè)供應(yīng)鏈的一年里，又一次短缺使制造商和消費者的生活變得復(fù)雜：塑料、食品包裝、汽車零部件、服裝、醫(yī)療和實驗室設(shè)備以及無數(shù)其他依賴塑料的物品。

但是密歇根大學(xué)開發(fā)的一種新化學(xué)催化劑可以為世界第二大使用最廣泛的塑料生產(chǎn)更多的原料。原料丙烯用于制造塑料聚丙烯——每年 800 萬噸。

這種可以從天然氣中生產(chǎn)丙烯的新型催化劑的效率至少是目前商業(yè)催化劑的 10 倍。在需要再生之前，它的持續(xù)時間延長了 10 倍。它由由二氧化硅框架支撐的鉑和錫納米顆粒制成。

“多年來，行業(yè)已經(jīng)從石油原料轉(zhuǎn)向頁巖氣，”密歇根大學(xué)馬丁劉易斯珀爾大學(xué)化學(xué)工程教授、發(fā)表在《科學(xué)》雜志上的一篇論文的資深作者 Suljo Linic 說。“因此，人們一直在努力尋找一種方法，以從頁巖氣的一種成分丙烷中有效地生產(chǎn)丙烯。這種催化劑實現(xiàn)了這一目標(biāo)。”

高效“非氧化脫氫”的秘訣

丙烯傳統(tǒng)上是在煉油廠的大型蒸汽裂解裝置中生產(chǎn)的，這些裂解裝置將石油原料分解成較輕的烴分子。但裂解頁巖氣生產(chǎn)丙烯效率低下。

新催化劑可以從丙烷有效地生產(chǎn)丙烯——一種含有三個碳原子和六個氫的分子，丙烷有兩個額外的氫。它使用一種稱為非氧化脫氫的過程。當(dāng)前催化劑效率低下的原因之一是它們需要向過程中添加氫氣。這種方法沒有。

新催化劑的關(guān)鍵創(chuàng)新在于它如何使用二氧化硅作為鉑和錫納米顆粒的載體結(jié)構(gòu)，而不是當(dāng)前催化劑中使用的氧化鋁。氧化鋁與錫反應(yīng)，使其與鉑分離并分解催化劑。因為新催化劑阻止了這種反應(yīng)，所以它的壽命更長。

“之前已經(jīng)嘗試過將二氧化硅作為鉑-錫納米顆粒的載體，但傳統(tǒng)的合成技術(shù)不夠精確，無法實現(xiàn)鉑和錫之間的密切相互作用，”密歇根大學(xué)博士后研究員、該論文的第一作者 Ali Hussain Motagamwala 說。

“我們通過首先合成具有優(yōu)異相互作用的鉑-錫絡(luò)合物克服了這個問題。然后我們將這種絡(luò)合物負(fù)載在二氧化硅上，以生產(chǎn)一種非常明確的催化劑，該催化劑在非氧化丙烷脫氫過程中具有活性、選擇性和穩(wěn)定性。”

商業(yè)化的關(guān)鍵是找到一種方法，在催化劑被碳污染后再生。盡管目前的催化劑壽命很短，但化學(xué)工業(yè)已經(jīng)開發(fā)出一種復(fù)雜的系統(tǒng)，可以快速有效地再生污染的催化劑。需要為新催化劑開發(fā)類似的系統(tǒng)。

穩(wěn)定丙烯供應(yīng)

“建造以商業(yè)規(guī)模運行這一過程的工廠將是一項巨大的投資，因此，化學(xué)工業(yè)往往發(fā)展緩慢，”利尼克說。“這種催化劑非常好，但再生是下一個大問題。”

該論文的標(biāo)題是“在熱力學(xué)極限下運行的丙烷脫氫的穩(wěn)定和選擇性催化劑”。