Немецкие химики разработали подход, позволяющий использовать катализаторы на базе бора и кремния для прямого превращения пропана в пропилен и оксид пропилена с минимальными или даже нулевыми выбросами углекислого газа. Выводы ученых были опубликованы в статье в журнале Nature Communications.
"Мы показали, что для синтеза пропилена и оксида пропилена не нужны сложные катализаторы и реагенты - этот процесс можно осуществить в один шаг при помощи просто устроенных материалов и реагентов. Мы надеемся, что наше открытие приведет к созданию новых систем синтеза этих важных химикатов, которые будут минимально угрожать окружающей среде", - пишут исследователи.
Как правило, для производства пропилена промышленники сейчас используют смесь из пропана и водяного пара, которая нагревается до очень высоких температур в специальных реакторах. Этот процесс крайне неэффективен с энергетической точки зрения, из-за чего химики уже много десятилетий пытаются создать катализаторы, которые ускоряли бы превращение пропана в пропилен при более низких температурах.
Группа немецких химиков под руководством Аннетт Труншке, заведующей лабораторией Института имени Фрица Габера в Берлине, разработала подход, позволяющий радикально упростить производство пропиленового сырья для производства полимеров, а также при этом резко снизить объем выбросов парниковых газов, связанных с выработкой этих органических молекул.
"Зеленый" синтез пропилена
Ключевую роль в работе этого подхода играет разработанный Труншке и ее коллегами катализатор на базе гексагонального нитрида бора, "двумерного" соединения, состоящего из атомов бора и азота. Недавно ученые обнаружили, что данное вещество активно взаимодействует с предельными углеводородами и заставляет их "терять" атомы водорода при взаимодействии с молекулами кислорода.
Это наблюдение натолкнуло немецких химиков на мысль, что гексагональный нитрид бора можно применять для прямого превращения пропана в пропилен. Руководствуясь этой идеей, ученые просчитали свойства нескольких вариантов катализаторов на базе нитрида бора и пористых структур из оксида кремния, а также подобрали условия, в которых такие ускорители реакций будут функционировать.
Последующие опыты показали, что нагрев данного катализатора до температуры в 470-490 градусов Цельсия приводит не только к превращению пропана в пропилен, но и к образованию молекул оксида пропилена, еще более интересного и ценного реагента. Он широко применяется в химической промышленности для производства многоатомных спиртов, различных подсластителей и полимерных материалов, таких как полиуретан.
По оценкам химиков, созданный ими катализатор позволяет превращать 40% молекул пропана в пропилен и оксид пропилена при относительно скромных температурах и давлениях. Это делает его использование очень выгодным вложением средств для промышленников. Не менее важным дополнительным плюсом является то, что углекислый газ почти не вырабатывается в процессе производства пропилена и его производных, что снижает нагрузку на природу, подытожили исследователи.