Пропилен, производимый в объеме более 150 миллионов метрических тонн ежегодно, является одним из самых востребованных химических веществ в промышленности. Он служит основой для полипропилена — полимера, используемого в производстве медицинских изделий, упаковки и товаров для дома. Доминирующим методом получения пропилена остается паровой крекинг — высокоэнергетический процесс, использующий тепло для расщепления сырой нефти на более мелкие углеводороды.
Рост доступности природного газа, особенно сланцевого, в Соединенных Штатах стимулировал интерес к альтернативному процессу — дегидрированию пропана (PDH). Этот метод потенциально дешевле, снижает зависимость от сырой нефти и способствует переходу к возобновляемым источникам энергии. Однако ключевой проблемой PDH остается поиск эффективных и экологически безопасных катализаторов, способных эффективно разрывать стабильные углерод-водородные (C-H) связи в молекуле пропана.
Исследователи из Северо-Западного университета (NorthweStеrn University) под руководством Дэйна Свирера (Dayne Swearer) разработали принципиально новый подход. Ими создан фотоактивный катализатор для проведения неокислительного дегидрирования пропана (PDH) с использованием света вместо традиционного нагрева. В результате реакции пропан превращается в пропилен и водород.
В основе открытия лежит специально разработанный наноинженерный фотоактивный катализатор. Он представляет собой наночастицы сплава меди (Cu) и платины (Pt), известного своей эффективностью в качестве термического катализатора. Уникальность новой структуры заключается в наличии четко определенных участков с изолированными, одиночными атомами платины внутри медных наночастиц. Над этой работой также трудились Эмма-Роуз Ньюмейер (Emma-Rose Newmeyer), аспирантка, и Йиченг Ванг (Yicheng Wang), постдокторант, выступившие первыми авторами исследования.
Механизм действия катализатора основан на поглощении света наночастицами, что приводит их в возбужденное состояние. Структура сплава направляет энергию света непосредственно к изолированным атомам платины. Эта сконцентрированная энергия значительно облегчает разрыв прочных C-H связей в пропане, запуская целевую реакцию.
В ходе экспериментов ученые варьировали количество платины, цвет и интенсивность используемого света (в тестах применялся лазер). Ключевым результатом стало подтверждение того, что структуры, содержащие только одиночные атомы платины, демонстрируют наилучшую эффективность. Это означает, что для достижения высокой реактивности и селективности требуется лишь минимальное количество драгоценного металла.
Новый светоуправляемый процесс позволяет проводить реакцию при значительно более мягких условиях по сравнению с традиционными методами. Исследования показали возможность снижения температуры реакции на 50 градусов Цельсия относительно стандартных рабочих температур PDH без потери скорости превращения пропана. Это открывает перспективы для существенной экономии энергии в промышленных масштабах.
Помимо экономии энергии, использование света, потенциально из возобновляемых источников, способствует снижению выбросов углерода в химической промышленности. Уменьшение зависимости от нефти (при использовании пропана из природного газа) и производство ценного побочного продукта — водорода (H2) — делают этот метод важным шагом на пути к декарбонизации индустрии.
Результаты этого исследования были опубликованы в научном журнале Journal of the American Chemical Society.
Команда Северо-Западного университета планирует продолжить совершенствование разработанного катализатора. Также в планах исследователей — протестировать концепцию светоуправляемых одноатомных катализаторов на основе сплавов для других важных промышленных реакций получения ключевых химических соединений.
Рост доступности природного газа, особенно сланцевого, в Соединенных Штатах стимулировал интерес к альтернативному процессу — дегидрированию пропана (PDH). Этот метод потенциально дешевле, снижает зависимость от сырой нефти и способствует переходу к возобновляемым источникам энергии. Однако ключевой проблемой PDH остается поиск эффективных и экологически безопасных катализаторов, способных эффективно разрывать стабильные углерод-водородные (C-H) связи в молекуле пропана.
Исследователи из Северо-Западного университета (NorthweStеrn University) под руководством Дэйна Свирера (Dayne Swearer) разработали принципиально новый подход. Ими создан фотоактивный катализатор для проведения неокислительного дегидрирования пропана (PDH) с использованием света вместо традиционного нагрева. В результате реакции пропан превращается в пропилен и водород.
В основе открытия лежит специально разработанный наноинженерный фотоактивный катализатор. Он представляет собой наночастицы сплава меди (Cu) и платины (Pt), известного своей эффективностью в качестве термического катализатора. Уникальность новой структуры заключается в наличии четко определенных участков с изолированными, одиночными атомами платины внутри медных наночастиц. Над этой работой также трудились Эмма-Роуз Ньюмейер (Emma-Rose Newmeyer), аспирантка, и Йиченг Ванг (Yicheng Wang), постдокторант, выступившие первыми авторами исследования.
Механизм действия катализатора основан на поглощении света наночастицами, что приводит их в возбужденное состояние. Структура сплава направляет энергию света непосредственно к изолированным атомам платины. Эта сконцентрированная энергия значительно облегчает разрыв прочных C-H связей в пропане, запуская целевую реакцию.
В ходе экспериментов ученые варьировали количество платины, цвет и интенсивность используемого света (в тестах применялся лазер). Ключевым результатом стало подтверждение того, что структуры, содержащие только одиночные атомы платины, демонстрируют наилучшую эффективность. Это означает, что для достижения высокой реактивности и селективности требуется лишь минимальное количество драгоценного металла.
Новый светоуправляемый процесс позволяет проводить реакцию при значительно более мягких условиях по сравнению с традиционными методами. Исследования показали возможность снижения температуры реакции на 50 градусов Цельсия относительно стандартных рабочих температур PDH без потери скорости превращения пропана. Это открывает перспективы для существенной экономии энергии в промышленных масштабах.
Помимо экономии энергии, использование света, потенциально из возобновляемых источников, способствует снижению выбросов углерода в химической промышленности. Уменьшение зависимости от нефти (при использовании пропана из природного газа) и производство ценного побочного продукта — водорода (H2) — делают этот метод важным шагом на пути к декарбонизации индустрии.
Результаты этого исследования были опубликованы в научном журнале Journal of the American Chemical Society.
Команда Северо-Западного университета планирует продолжить совершенствование разработанного катализатора. Также в планах исследователей — протестировать концепцию светоуправляемых одноатомных катализаторов на основе сплавов для других важных промышленных реакций получения ключевых химических соединений.