跳动城乡网聚丙烯是一种常见的塑料，用于当今许多必需品，如食品容器和医疗器械。由于聚丙烯如此受欢迎，用于制造聚丙烯的化学品需求也激增。这种化学品丙烯可由丙烷生产。丙烷是一种常用于烧烤架的天然气。
美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室和艾姆斯国家实验室的科学家现在报告了一种比目前使用的工艺更快、更节能的丙烯生产方法。这项研究发表在《美国化学学会杂志》上。
将丙烷转化为丙烯通常需要使用金属催化剂，例如铬或铂，催化剂位于载体材料(例如氧化铝或二氧化硅)上。催化剂可加速反应。然而，它也需要较高的操作温度和能耗。
在一个合作项目中，阿贡国家实验室和艾姆斯研究中心的科学家发现，锆与氮化硅结合可增强丙烷气体转化为丙烯的催化转化。与铬等其他非贵金属相比，锆的反应速度更快、性更小、能耗更低。锆的成本也低于铂等贵金属催化剂。
这项发现还揭示了一种降低催化过程温度的方法。反过来，这也减少了二氧化碳的排放量。二氧化碳占美国温室气体排放量的近 80%。
此外，这项研究还让人们了解到在丙烷催化转化为丙烯的过程中其他低成本金属所能实现的反应性。
一段时间以来，阿贡化学家 David Kaphan 和 Max Delferro 一直在系统地研究非传统表面如何影响和促进催化作用。作为这项研究的首席研究员，他们希望了解非传统金属催化剂在非传统载体上与传统材料在丙烷催化转化过程中的表现如何。
催化剂载体材料通常具有较高的表面积，有助于分散催化剂。正如本研究所示，它们在促进催化方面也能发挥重要作用。
研究小组发现，氮化硅载体上的锆催化剂对丙烷转化为丙烯的催化活性明显更高。相反，二氧化硅载体则不是这样。
他们还发现，氮化硅载体能够以比传统金属在二氧化硅上更快、更节能的方式实现催化。作为催化剂载体，氮化硅可以增强金属表面的化学反应，而传统氧化物则不然。
科学家们在 842 华氏度的温度下实现了丙烷的催化转化。这略低于使用传统材料进行催化通常所需的 1,022 华氏度。此外，当在与传统催化剂相同的温度下进行这种转化时，反应速度明显快于使用氧化物载体的类似材料。
这一发现也证明这一概念可以推广到其他重要反应。
“这为研究氮化物负载金属的反应性提供了一个窗口。我们看到了使用其他过渡金属的前景，我们可以利用氮化物表面局部环境的这种差异来增强催化作用，”Kaphan 说。
这项研究得益于阿贡国家实验室的先进光子源 (APS)，这是美国能源部科学办公室的一个用户设施。在光束线 10-BM 上，研究人员使用 X 射线吸收光谱法来了解锆催化剂与氮化物材料和氧化物材料之间的相互作用有何不同。
阿贡研究人员还与艾姆斯国家实验室的科学家弗雷德里克·佩拉斯 (Frédéric Perras) 合作，以更好地了解锆/氮化硅催化剂的结构。他使用动态核极化增强核磁共振技术来分析氮化硅如何与金属位点发生反应。
“氮化硅表面的成分在很大程度上是未知的，这正是我发现这项工作最令人兴奋的地方，”同时也是爱荷华州立大学兼职副教授的佩拉斯说。
德尔费罗表示，阿贡国家实验室和艾姆斯研究中心的材料表征技术与撰写本文的人员的专业知识相结合，促成了这次实验的成功。
“一个人无法完成所有的事情。这真的是一个团队的努力，每个人都贡献出自己的专业知识来实现这个目标，”他说。
