西北工程研究人员展示了一种新的化学催化方法，该方法可使用较少的能量来提高丙烯的收率。这些发现可以支持许多塑料的更节能生产过程。

作为产量最高的化学产品之一，每年生产的丙烯价值超过1000亿美元，主要用于生产各种材料的聚丙烯，从汽车零件的注塑到消费品。生产丙烯也是能源密集型的，需要约800摄氏度的温度才能将丙烷气转化为丙烯。

长期以来，研究人员一直在研究一种称为氧化脱氢的技术，该技术是一种不受丙烷限制且不受高温限制的丙烯生产方法。该方法使丙烷和氧气在催化剂上反应，生成丙烯和水。但是，由于丙烯比丙烷对氧气的反应性更高，因此该反应通常仅产生少量的丙烯。

麦考密克工程学院化学与生物工程学教授贾斯汀·诺丁斯坦(Justin Notestein)表示，这种反应是有效的，但类似于打开煤气烧烤炉在家做饭时，您不会产生丙烯，而只是燃烧丙烷。该研究的共同通讯作者补充说，我们没有寻找合适的催化剂，而是将氧化脱氢反应分解为两个部分：脱氢和选择性氢燃烧，然后设计了一种可按特定顺序进行两种反应的串联材料。这产生了到目前报道过的最高的效率。

3月19日，在《科学》杂志上发表了一篇题为“"Tandem In2O3-Pt/Al2O3 Catalyst for Coupling of Propane Dehydrogenation to Selective H2 Combustion”的论文。温伯格文理学院的化学教授彼得·斯特尔(Peter Stair)是该论文的另一位同时通讯作者。

在这种新方法中，研究人员设计了两种具有纳米级接近度的催化剂：一种铂基催化剂，可以选择性地从丙烷中除去氢以生成丙烯；另一种氧化铟基催化剂，可以选择性地燃烧氢，但不燃烧丙烷或丙烯。

我们发现纳米结构确实很重要， Notestein说，铂上的氧化铟效果很好。氧化铟上的铂效果不佳。物理上与氧化铟结合的铂不起作用。即使两种催化剂都可以完成两种反应，这种纳米结构也能够分离和排列反应。这种结构很常见在生物学上，但是在人造材料上非常罕见。

该小组的测试显着提高了丙烷产量以生产丙烯。在450摄氏度下，通过单次通过反应器，测试可产生30%的收率，同时确保丙烷中超过75%的碳原子继续变成丙烯。相比之下，在没有氧气的情况下加热丙烷时，收率不可能超过24%，而且所需的催化剂通常不稳定。

没有人证明产量超过了这些热力学极限， Notestein说，从效用的角度来看，我们的结果是第一个真正证明试图氧化而不是仅进行脱氢反应的理由。

该系统的简单设计可以通过调节反应器条件并改变两种催化剂组分来进一步优化。当前产生更高产量的方法需要更复杂和昂贵的工程解决方案。

美国西北部可持续与能源研究所下属的催化和表面科学中心主任Notestein说，由于我们依靠工程技术方面经过验证的设计-建造-测试周期，因此可能还会有更多的改进。这些发现为我们提供了新的成分和合理的策略，以尝试寻找高性能的催化剂体系。这对于能源消耗非常重要且目前的工程策略可能不可行的小型化工厂尤其有利。 他补充说，该团队的方法反映了国家科学基金会的Alkane资源创新和战略转型中心(CISTAR)的更大努力，该中心为这项工作提供了资金。

这些发现还可以进一步提高制造许多用于结构和材料应用的塑料的能源效率。例如，汽车中的塑料部件使汽车重量更轻，能源效率更高，而聚合物房屋外墙和壁板则经久耐用，有助于保持房屋的温暖和干燥。

Notestein说，塑料虽然受到了很多破坏，但对于现代社会来说是必不可少的，包括努力使社会更加节能。使用这种新方法制造丙烯和聚丙烯等材料的能源消耗可能会大大降低，这对每个人来说都是个好消息。