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(lái)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(guò)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(guò)1000億美元，主要用于生產(chǎn)各種材料的聚丙烯，從汽車(chē)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(zhǎng)期以來(lái)，研究人員一直在研究一種稱(chēng)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(duì)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(lèi)似于打開(kāi)煤氣燒烤爐在家做飯時(shí)，您不會(huì)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(shuō)，我們沒(méi)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(guò)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(jí)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(shuō)，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(jiàn)在生物學(xué)上，但是在人造材料上非常罕見(jiàn)。

該小組的測(cè)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(guò)單次通過(guò)反應(yīng)器，測(cè)試可產(chǎn)生30％的收率，同時(shí)確保丙烷中超過(guò)75％的碳原子繼續(xù)變成丙烯。相比之下，在沒(méi)有氧氣的情況下加熱丙烷時(shí)，收率不可能超過(guò)24％，而且所需的催化劑通常不穩(wěn)定。

沒(méi)有人證明產(chǎn)量超過(guò)了這些熱力學(xué)極限， Notestein說(shuō)，從效用的角度來(lái)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(jiǎn)單設(shè)計(jì)可以通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)器條件并改變兩種催化劑組分來(lái)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(guó)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(shuō)，由于我們依靠工程技術(shù)方面經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)-建造-測(cè)試周期，因此可能還會(huì)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(duì)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(chǎng)尤其有利。 他補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的方法反映了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)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(chē)中的塑料部件使汽車(chē)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(shuō)，塑料雖然受到了很多破壞，但對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)來(lái)說(shuō)是必不可少的，包括努力使社會(huì)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(huì)大大降低，這對(duì)每個(gè)人來(lái)說(shuō)都是個(gè)好消息。

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