זירקוניום (אטום כתום שרוף גדול יותר), בשילוב עם סיליקון ניטריד (אטומים כחולים ואפורים), משפר את ההפיכה של פרופאן לפרופילן בצורה מהירה יותר וצורכת פחות אנרגיה מאמצעים מסורתיים יותר. קרדיט: דיוויד קאפאן, מקס דלפרו ויו לים קים/מעבדה הלאומית של ארגון
שילוב של זירקוניום עם סיליקון ניטריד משפר את הפיכתו של פרופאן, מרכיב של גז טבעי, לפוליפרופילן, פלסטיק מבוקש מאוד.
פוליפרופילן הוא פלסטיק בשימוש נרחב המצוי בפריטים יומיומיים רבים, כולל מיכלי מזון ומכשור רפואי. בשל הפופולריות שלו, יש ביקוש הולך וגובר לפרופילן, כימיקל חיוני לייצורו. פרופילן מופק מפרופאן, גז טבעי המשמש בדרך כלל בגריל ברביקיו.
מדענים מהמעבדה הלאומית Argonne של משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE) והמעבדה הלאומית של איימס מדווחים על דרך מהירה וחסכונית יותר באנרגיה לייצור פרופילן מאשר התהליך המשמש כיום.
המרת פרופאן לפרופילן כרוכה בדרך כלל בזרז מתכת כמו כרום או פלטינה על חומר תומך, כגון תחמוצת אלומיניום או דו תחמוצת הסיליקון. הזרז מאיץ את התגובה. עם זאת, זה גם מחייב טמפרטורות עבודה גבוהות ושימוש באנרגיה.
פריצת דרך בטכנולוגיית Catalyst
בפרויקט שיתופי, מדענים מארגון ואיימס מצאו כי זירקוניום בשילוב עם סיליקון ניטריד משפר את ההמרה הקטלטית של גז פרופאן לפרופילן. הוא עושה זאת בצורה מהירה יותר ופחות רעיל וצורך פחות אנרגיה מאשר מתכות לא יקרות אחרות, כמו כרום. זה גם פחות יקר מזרזי מתכת יקרים כמו פלטינה.
תגלית זו חושפת גם דרך להפחית את הטמפרטורה של התהליך הקטליטי. בתורו, זה מפחית את כמות הפחמן הדו חמצני המשתחרר. פחמן דו חמצני מהווה כמעט 80% מפליטת גזי חממה בארצות הברית. בנוסף, מחקר זה נותן הצצה לתגובתיות הניתנת להשגה עם מתכות אחרות בעלות נמוכה בהמרה קטליטית של פרופאן לפרופילן.
במשך זמן מה, הכימאים של ארגון דיוויד קאפאן ומקס דלפרו חוקרים באופן שיטתי כיצד משטחים לא מסורתיים משפיעים ומקדמים קטליזה. כחוקרים מובילים במחקר זה, הם רצו להבין כיצד זרז מתכת לא מסורתי על סוג לא מסורתי של תמיכה משתווה לחומרים בשימוש מסורתי במהלך ההמרה הקטליטית של פרופאן.
לחומרי תמיכה בזרז יש בדרך כלל שטחי פנים גבוהים ועוזרים להפיץ זרזים. הם יכולים גם למלא תפקיד חשוב בקידום קטליזה, כפי שמוצג במחקר זה. צוות המחקר מצא כי זרז זירקוניום על תמיכת סיליקון ניטריד הניב קטליזה פעילה משמעותית יותר להמרה של פרופאן לפרופילן. לעומת זאת, זה לא היה המקרה עם תמיכת הסיליקה.
הם גם גילו שתמיכת הסיליקון ניטריד אפשרה קטליזה בצורה מהירה יותר וחסכונית יותר באנרגיה מאשר עם מתכות מסורתיות על סיליקה. כתמיכת זרז, סיליקון ניטריד יכול לשפר תגובות כימיות על פני השטח של מתכות ביחס לתחמוצות בשימוש מסורתי יותר. המדענים השיגו המרה קטליטית של פרופאן בטמפרטורה של 842 מעלות צלזיוס. זה מעט נמוך מה-1,022 מעלות פרנהייט הנדרשת בדרך כלל לקטליזה באמצעות חומרים מסורתיים.
השלכות כלליות וכלי מחקר
יתר על כן, כאשר מופעלים באותה טמפרטורה כמו זרזים מסורתיים עבור טרנספורמציה זו, קצבי התגובה היו מהירים משמעותית מחומרים דומים עם תומכי תחמוצת. תגלית זו גם מהווה הוכחה לכך שניתן להכליל מושג זה לתגובות חשובות אחרות.
"זה מספק חלון לתגובתיות מתכת הנתמכת בניטריד. אנו רואים הבטחה בשימוש במתכות מעבר אחרות שבהן נוכל למנף את ההבדל הזה בסביבה המקומית של משטח הניטריד כדי לשפר את הקטליזה", אמר קאפאן.
מחקר זה נהנה ממקור הפוטון המתקדם (APS) של Argonne, מתקן משתמש של DOE Office of Science. ב-beamline 10-BM, החוקרים השתמשו בספקטרוסקופיה של ספיגת קרני רנטגן כדי להבין כיצד האינטראקציה של זרז הזירקוניום עם חומר הניטריד שונה מחומר התחמוצת.
חוקרי ארגון שיתפו פעולה גם עם פרדריק פראס, מדען במעבדה הלאומית של איימס, כדי לקבל הבנה טובה יותר של המבנה של זרז זירקוניום/סיליקון ניטריד. הוא השתמש בטכניקת תהודה מגנטית גרעינית דינמית מוגברת בקיטוב גרעיני כדי לנתח כיצד סיליקון ניטריד מגיב עם אתרי מתכת.
"ההרכב על פני השטח של סיליקון ניטריד אינו ידוע ברובו, וזה מה שמצאתי הכי מרגש בעבודה הזו", אמר פראס, שהוא גם פרופסור חבר באוניברסיטת איווה סטייט.
השילוב של טכניקות אפיון החומר הזמינות ב-Argonne ו-Ames והמומחיות של האנשים שעבדו על המאמר הזה הוא זה שתרם להצלחת הניסוי הזה, לפי דלפרו.
"אדם אחד לא יכול לעשות הכל. זה באמת מאמץ קבוצתי, וכל אחד הביא את המומחיות שלו לשולחן כדי להשיג את המטרה הזו", אמר.
התמיכה במחקר הגיעה מהמשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים של DOE, החטיבה למדעי הכימיה, מדעי הגיאוגרפיה והביו, תוכנית מדעי הקטליזה.
