Naukowcy odkryli ukryty potencjał katalizatorów molibdenowych

Łatwą i efektywną metodę generowania centrów aktywnych w reakcji metatezy olefin opracowali polscy badacze z Politechniki Krakowskiej, Uniwersytetu Jagiellońskiego i Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris UJ. – Zaproponowane przez nas rozwiązanie otwiera drogę do prostszych, tańszych i potencjalnie bardziej zrównoważonych technologii wytwarzania olefin, szeroko stosowanych w nowoczesnym przemyśle chemicznym – mówi dr hab. inż. Piotr Michorczyk, prof. PK, który koordynował badania, prowadzone m.in. w synchrotronie Solaris. Ich wyniki naukowcy przedstawili w najnowszej publikacji w prestiżowym czasopiśmie „Chemical Engineering Journal”.

– Pokazaliśmy, że przełomowe rozwiązania w katalizie nie zawsze wymagają skomplikowanych materiałów i wieloetapowych syntez. Wykorzystując prosty tlenkowy katalizator molibdenowy, osadzony na krzemionce metodą impregnacji, zaprojektowaliśmy sposób jego aktywacji, który zwiększa nawet o dwa rzędy wielkości jego właściwości katalityczne i czyni go wyjątkowo skutecznym w metatezie propylenu już w temperaturze pokojowej. Metateza propylenu to kluczowa reakcja syntezy olefin, czyli jednych z najważniejszych surowców przemysłu petrochemicznego – mówi prof. Piotr Michorczyk, dziekan Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej.

Chodzi o właściwe wykorzystanie materiału

Grupa badawcza prof. Michorczyka we współpracy z zespołami prof. Piotra Kuśtrowskiego (UJ) i prof. Jarosława Handzlika (PK) oraz dr. Alexeyem Maximenko (NCPS Solaris UJ) dowiodła, że krótka obróbka tlenkowego katalizatora molibdenowego w strumieniu propanu w temperaturze 550-650 °C zwiększa o 1-2 rzędy wielkości jego aktywność metatetyczną. W praktyce oznacza to, że aktywność katalizatora wzrosła od 10 do nawet 100 razy.

– Potwierdziliśmy w badaniach, że materiał, uznawany dotąd za słabo aktywny, może stać się wysoce efektywnym katalizatorem, jeśli zostanie poddany odpowiedniej procedurze wstępnej przed procesem metatezy. Kluczowym elementem było opracowanie krótkiego etapu, trwającego kilka do kilkunastu minut, obróbki w strumieniu propanu w wysokiej temperaturze (550-650 °C). Ten prosty zabieg prowadzi do głębokiej przebudowy powierzchni katalizatora, powstania nowych aktywnych centrów, a także wielokrotnego wzrostu aktywności w reakcji metatezy propylenu. Dowiedliśmy, że tzw. nieaktywne formy molibdenu mogą odgrywać kluczową rolę w reakcji, jeśli właściwie się je wykorzysta – tłumaczy profesor.

W ten sposób krakowscy naukowcy dowiedli, że do uzyskania wysokiej aktywności katalitycznej nie jest wymagane użycie drogich i otrzymanych skomplikowanymi metodami wytwarzania katalizatorów na osnowie kompleksów metaloorganicznych. Ich odkrycie może mieć bardzo praktyczne skutki.

– Otwiera drogę do prostszych, tańszych i potencjalnie bardziej zrównoważonych technologii wytwarzania olefin, szeroko stosowanych w nowoczesnym przemyśle chemicznym – zapowiada prof. Piotr Michorczyk.

Inspiracją Richard Feynman

Wyniki badań naukowcy przedstawili w artykule pt. „Harnessing inactive molybdenum species in ill-defined catalyst to work in propylene metathesis by propane pretreatment”, opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie „Chemical Engineering Journal”. Główny wątek artykułu to prosta hipoteza, będąca parafrazą jednego z najsłynniejszych wykładów Richarda Feynmana z 1959 r. pt. „There’s Plenty of Room at the Bottom” („Na dole jest mnóstwo miejsca”): „Na powierzchni tlenkowych katalizatorów molibdenowych otrzymanych prostymi metodami impregnacji jest mnóstwo nieaktywnych form, które po odpowiedniej obróbce mogą być aktywowane”. Wykład Feynmana zapoczątkował koncepcję nanotechnologii. Publikacja stanowi ważny krok w kierunku efektywnego wykorzystania „ukrytego potencjału” katalizatorów i pokazuje, że innowacja w chemii może wynikać z nowego spojrzenia na materiały tlenkowe katalityczne o niejednorodnej i niezdefiniowanej strukturze.

– Nasza praca podkreśla również skuteczność współprac wieloośrodkowych zespołów w obszarze katalizy heterogenicznej oraz zdolność do łączenia fundamentalnego zrozumienia procesów powierzchniowych z realnymi wyzwaniami technologicznymi – wskazuje prof. Michorczyk.

Część istotnych badań dotyczących struktury katalizatorów molibdenowych przed i po badanych reakcjach wykonano w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego Solaris UJ, korzystając z linii ASTRA (Absorption Spectroscopy beamline for Tender energy Range and Above). Zaprojektowano ją specjalnie do pomiarów absorpcyjnej spektroskopii rentgenowskiej (XAS) i technik pokrewnych.

– W naszych badaniach na linii ASTRA wykonaliśmy badania XANES (struktura bliskiej krawędzi absorpcji promieniowania X), które potwierdziły częściową redukcję form tlenkowych molibdenu (MoOx) w etapie obróbki termicznej w strumieniu propanu i ich dalszą transformację do tlenowęglików i węglików – mówi prof. Piotr Michorczyk.

Źródło: Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki

Czytaj także: Skuteczniejsze spalanie sadzy dzięki wydajniejszym katalizatorom