12.07.2021 - University of Michigan

Lösung des Kunststoffmangels mit einem neuen chemischen Katalysator

Neuer Katalysator ist mindestens 10-mal effizienter als derzeitige kommerzielle Katalysatoren

In einem Jahr, in dem die Lieferketten in der Fertigung bereits stark strapaziert wurden, erschwert ein weiterer Mangel das Leben von Herstellern und Verbrauchern: Kunststoffe und die Lebensmittelverpackungen, Automobilkomponenten, Kleidung, medizinische und Laborgeräte und unzählige andere Gegenstände, die auf sie angewiesen sind.

Doch ein neuer chemischer Katalysator, der an der Universität von Michigan entwickelt wurde, könnte die Produktion von mehr Rohstoffen für den weltweit am zweithäufigsten verwendeten Kunststoff ermöglichen. Das Ausgangsmaterial, Propylen, wird zur Herstellung des Kunststoffs Polypropylen verwendet - 8 Millionen Tonnen pro Jahr.

Der neue Katalysator, der Propylen aus Erdgas herstellen kann, ist mindestens 10-mal effizienter als derzeitige kommerzielle Katalysatoren. Und er hält 10-mal länger, bevor er regeneriert werden muss. Er besteht aus Platin- und Zinn-Nanopartikeln, die von einem Gerüst aus Siliziumdioxid getragen werden.

"Die Industrie hat sich im Laufe der Jahre von Erdöl auf Schiefergas verlagert", sagt Suljo Linic, der Martin Lewis Perl Collegiate Professor of Chemical Engineering an der U-M und Hauptautor der in Science veröffentlichten Arbeit. "Deshalb wurde nach einer Möglichkeit gesucht, Propylen effizient aus Propan, einem Bestandteil von Schiefergas, herzustellen. Mit diesem Katalysator wird dieses Ziel erreicht."

Das Geheimnis der effizienten 'nicht-oxidativen Dehydrierung'

Propylen wird traditionell in Ölraffinerien in riesigen Steamcrackern hergestellt, die das Erdöl-Einsatzmaterial in leichtere Kohlenwasserstoffmoleküle zerlegen. Aber das Cracken von Schiefergas zur Herstellung von Propylen war bisher ineffizient.

Der neue Katalysator kann Propylen - ein Molekül mit drei Kohlenstoffatomen und sechs Wasserstoffatomen - effizient aus Propan herstellen, das zwei zusätzliche Wasserstoffatome hat. Er verwendet einen Prozess, der nicht-oxidative Dehydrierung genannt wird. Einer der Gründe, warum aktuelle Katalysatoren ineffizient sind, ist, dass sie die Zugabe von Wasserstoff in den Prozess erfordern. Bei diesem Ansatz ist das nicht der Fall.

Die Schlüsselinnovation des neuen Katalysators ist die Verwendung von Siliziumdioxid als Trägerstruktur für die Platin- und Zinn-Nanopartikel anstelle des Aluminiumoxids, das in aktuellen Katalysatoren verwendet wird. Tonerde reagiert mit Zinn, wodurch es sich vom Platin trennt und den Katalysator zersetzt. Da der neue Katalysator diese Reaktion aufhält, hat er eine längere Lebensdauer.

"Siliziumdioxid als Träger für Platin-Zinn-Nanopartikel wurde schon früher ausprobiert, aber die konventionellen Synthesetechniken waren nicht präzise genug, um eine enge Wechselwirkung zwischen Platin und Zinn zu ermöglichen", sagt Ali Hussain Motagamwala, U-M-Postdoktorand und Erstautor der Arbeit.

"Wir haben dies überwunden, indem wir zunächst einen Platin-Zinn-Komplex mit ausgezeichneter Wechselwirkung synthetisiert haben. Anschließend haben wir diesen Komplex auf Siliziumdioxid aufgebracht, um einen sehr gut definierten Katalysator herzustellen, der bei der nichtoxidativen Propandehydrierung aktiv, selektiv und stabil ist."

Ein Schlüssel zur Kommerzialisierung wird sein, einen Weg zu finden, den Katalysator zu regenerieren, nachdem er durch Kohlenstoff verschmutzt wurde. Obwohl aktuelle Katalysatoren nur kurzlebig sind, so Linic, hat die chemische Industrie ein kompliziertes System entwickelt, das den verschmutzten Katalysator schnell und effizient regenerieren kann. Ein ähnliches System wird für den neuen Katalysator entwickelt werden müssen.

Stabilisierung der Propylenvorräte

"Der Bau von Anlagen, die diesen Prozess im kommerziellen Maßstab betreiben würden, wäre eine massive Investition, und aus diesem Grund neigt die chemische Industrie dazu, sich langsam zu bewegen", so Linic. "Dieser Katalysator ist sehr gut, aber die Regeneration ist die nächste große Frage."

Während sich der Katalysator noch im Forschungsstadium befindet, birgt er die Möglichkeit, die weltweiten Propylenvorräte aufzustocken, die durch die rasant steigende globale Nachfrage, COVID-bedingte Produktionsprobleme und eine Reihe von hurrikanbedingten Stillständen in den Ölraffinerien an der Golfküste, die die Chemikalie produzieren, erschöpft sind.

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