Propilen Üretimi için Yeni, Yüksek Verimli Katalizör Geliştirildi

Fotoğraf 1: (Sol) Toz halindeki platin-kobalt-indiyum katalizörü, (Sağ) seryum oksit (CeO₂) destek üzerindeki katalizörün (üstteki iç kısımdaki yapı) bir elektron mikrografı.

Fotoğraf 2: Katalitik etkinin mekanizması. Platin, propanı (C₃H₈) propilen (C₃H₆) oluşturmak üzere dönüştürürken, kobalt CO₂‘yi yakalar ve aktive eder. İndiyum ile karıştırıldığında ve bir seryum oksit desteği (CeO₂) üzerine sabitlendiğinde, propilen oluşumu CO₂‘nin oksijensizleşmesiyle bağlantılıdır ve propana özgüdür. Yan ürünler olarak su (H₂O) ve karbon oksitler (CO_x) oluşur.

Araştırmacılar, kimya endüstrisi ve karbon geri dönüşümü için potansiyel faydaları olan propilen sentezi için yenilikçi bir katalizör geliştirdiler. Bulgular Nature Catalysis dergisinde yayınlandı. Propilen, çeşitli petrokimyasalların üretimi için önemli bir ham madde olan renksiz, yanıcı bir hidrokarbon gazıdır. Artan talep ve sınırlı küresel arz nedeniyle, üretimi için yeni ve verimli teknolojiler geliştirmeye güçlü bir ihtiyaç vardır.

Propilen üretmek için umut verici bir teknik, hidrojeni uzaklaştırarak propan gazını propilene dönüştürmek için CO₂ kullanan oksidatif dehidrojenasyon adı verilen kimyasal bir reaksiyondur. Ancak, bu kimyasal reaksiyonu hızlandırmak için kullanılan mevcut katalizörler çok verimli değildir.

Hokkaido Üniversitesi moleküler mühendisi Shinya Furukawa, “Zorluk, istenmeyen yan reaksiyonlar olmadan hem reaktanları – propan hem de CO₂‘i aktive edecek bir katalizör geliştirmektir. Aynı zamanda uzun vadede istikrarlı ve yeniden kullanılabilir olması gerekiyor.” diye açıklıyor.

Bunu başarmak için Furukawa ve arkadaşları, her biri kendine özgü özellikleri için seçilen üç farklı metalden (platin, kobalt ve indiyum) yapılmış bir katalizör geliştirdi. Platin, karbon ve hidrojen arasındaki kimyasal bağları kırma ve dehidrojenasyon reaksiyonunu sağlama yeteneği nedeniyle ana aktif metal olarak seçildi. Kobalt, CO₂ yakalama ve aktivasyonunu hızlandırırken, indiyum katalizörün seçiciliğini arttıracaktır. Metaller, araba katalitik konvertörlerinde yaygın olarak kullanılan bir bileşik olan seryum oksitten yapılmış bir desteğe sabitlendi.

Araştırmacılar, katalizörün aktivitesini 550°C’de test etti ve sonuçları mevcut katalizörlerle karşılaştırdı. Ayrıca farklı bileşenlerin işlevlerini anlamak için mekanik bir çalışma yaptılar ve katalizörün propilen oluşturan reaksiyonu CO₂‘in oksijensizleşmesine bağladığını ve katalitik aktivitenin propana özgü olmasını sağladığını buldular; yan ürün olarak su ve karbon oksitler oluştu.  Ayrıca, katalizörün diğer sistemlerden bildirilen tipik değerlere kıyasla reaksiyon hızını yaklaşık beş kat arttırdığını bulmuşlardır. Reaksiyon, önceki katalizörlere kıyasla daha yüksek oranda propilen üretti ve 550°C’de daha fazla CO₂ kullandı. Katalizör ayrıca iyi bir uzun vadeli stabilite ve yeniden kullanılabilirlik gösterdi.

Furukawa, “Bugüne kadar, başka hiçbir katalizörün aynı anda yüksek katalitik aktivite, seçicilik, stabilite ve CO₂ kullanım verimliliği sergilediği gösterilmemiştir. Çok işlevli malzememiz tüm bu gereksinimleri karşılıyor.” diyor.

Bu çalışma, petrokimya üretimi için yüksek verimli katalizörlerin tasarımına ilişkin yeni bilgiler sağlayıp, karbon geri dönüşümü ve sera gazı azaltımı için potansiyel faydalar sunmaktadır.

Kaynak: phys.org