La capacità di nuova concezione di attingere a depositi di gas di scisto precedentemente inaccessibili durante l'ultimo decennio ha creato un'abbondante fonte di gas, compreso il metano, etano e propano, che vengono utilizzati per creare prodotti a base chimica come la plastica. Ma l'industria chimica degli Stati Uniti ha bisogno di scienziati, compresi quelli presso l'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), per aiutare a trasformare quella nuova fornitura di materie prime in un vantaggio tecnologico competitivo.

In una serie di programmi di ricerca, Gli esperti di Argonne stanno trovando modi per fabbricare in modo più economico ed efficiente prodotti derivati ​​dai depositi di gas di scisto e stanno identificando nuovi percorsi per realizzare catalizzatori a prestazioni più elevate.

"Al fine di massimizzare i benefici e sfruttare l'odierna fonte economica di gas naturale e liquidi di gas naturale per creare investimenti e posti di lavoro negli Stati Uniti, è importante sviluppare processi nuovi e più efficienti relativi alla conversione catalitica del gas naturale in materiali di maggior valore, " affermava un rapporto del 2016 della National Academy of Sciences.

Il gas di scisto è un gas naturale che si trova nelle formazioni rocciose di scisto create centinaia di milioni di anni fa. La parte umida del gas di scisto contiene una varietà di alcani, una famiglia di idrocarburi commercialmente importanti che comprende etano e propano. L'industria chimica è interessata agli alcani che possono essere convertiti in alcheni, una classe di idrocarburi utili nella produzione di una varietà di materiali, per lo più polimeri come polietilene e polipropilene. Il programma scientifico di catalisi di Argonne ha già sviluppato un metodo di successo per convertire efficacemente gli alcani in alcheni. Ora, i ricercatori studiano anche come possono produrre altri composti di interesse per l'industria chimica.

"L'obiettivo è capire come manipolare catalizzatori a sito singolo sulle superfici e come possiamo ottenere un'elevata selettività per la trasformazione degli alcani leggeri in prodotti a valore aggiunto come le olefine, che hanno trovato largo impiego nell'industria manifatturiera, " ha detto Max Delferro, un chimico Argonne che guida il gruppo di catalisi del laboratorio.

Gli scienziati di Argonne concentrano gran parte del loro lavoro sui catalizzatori a sito singolo a causa della promessa che mostrano sia per l'elevata attività che per la selettività del prodotto. Tale lavoro ha portato a due domande di brevetto statunitensi per lo sviluppo di catalizzatori multimetallici che deidrogenano selettivamente n-butano a 1, 3-butadiene (BDE). BDE è un elemento costitutivo primario della gomma sintetica, che i produttori di polimeri hanno utilizzato per produrre pneumatici per auto.

Le attuali tecnologie di processo per convertire gli alcani in alcheni comportano tutte la coke, un processo di deposizione di carbonio che interferisce con l'attività catalitica. "Il problema con la coca è che non stai convertendo la tua materia prima nel prodotto che desideri. Lo stai convertendo in un sottoprodotto, "ha detto Ted Krause, un ingegnere chimico e capo dipartimento nella divisione Scienze chimiche e ingegneria di Argonne. La tecnologia del catalizzatore a sito singolo di Argonne deidrogena gli alcani senza promuovere la coke.

Il lavoro mira a una serie di catalizzatori e reazioni da cui le aziende private potrebbero selezionare per l'ottimizzazione e la commercializzazione. "Uno degli obiettivi principali è trasferire le conoscenze dalle scienze energetiche di base ai mercati, " disse Delferro.

Krause conduce un secondo progetto, finanziato attraverso l'Ufficio per l'efficienza energetica e le energie rinnovabili (EERE) del DOE Ufficio per le tecnologie bioenergetiche. In questo progetto, i ricercatori utilizzano la spettroscopia a raggi X presso l'Advanced Photon Source (APS), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, per capire come reagiscono i catalizzatori e come si disattivano.

Gli scienziati della catalisi di Argonne stanno lavorando con diverse aziende nel settore dei biocarburanti e dell'industria biochimica attraverso accordi di cooperazione per stimolare lo sviluppo di materiali catalitici. Negli esperimenti APS, I ricercatori di Argonne sondano le reazioni catalitiche con un raggio di raggi X per monitorare i cambiamenti che subiscono i catalizzatori durante le condizioni di lavoro effettive.

La scienza della catalisi è stata un pilastro dell'APS da quando l'APS è entrato in funzione nel 1996. Le capacità di sperimentazione in situ e operando sono un importante punto di forza dell'APS, consentendo misurazioni in condizioni reali, ha detto Greg Halder, dirigente dello sviluppo aziendale nella divisione Technology Commercialization and Partnerships di Argonne.

"Questi approcci abbracciano una serie di linee di luce che consentono all'industria di osservare le reazioni che si verificano in tempo reale e misurare le prestazioni catalitiche monitorando con precisione una gamma di proprietà chimiche e fisiche, " Halder ha detto. "Queste informazioni possono quindi essere combinate con dati sperimentali e computazionali e competenze per sviluppare la prossima generazione di catalizzatori".

I ricercatori di Argonne sono specializzati nella comprensione del motivo per cui i catalizzatori si disattivano, perché muoiono, e nello sviluppo di tecniche per mitigare tale processo.

"La durata del catalizzatore è un fattore di costo critico, " disse Krause. "Se è breve, hai bisogno di un processo di rigenerazione, perché il costo di scambiarlo con catalizzatore nuovo potrebbe essere proibitivo. Anche per i catalizzatori a lungo termine, quando iniziano a disattivarsi con il tempo, tendi a perdere selettività verso il prodotto desiderato, quindi tendi a fare meno del tuo prodotto desiderato."

Chris Marshall, un chimico di ricerca senior nel gruppo di catalisi, guida un progetto finanziato da DOE EERE Advanced Manufacturing Office per sviluppare capacità per estendere la durata del catalizzatore. "Abbiamo sviluppato tecniche per stabilizzare i catalizzatori, particolarmente in condizioni di reazione difficili, " disse Krause.

Oltre alla sua competenza, Argonne è dotata di un'infrastruttura che accelera la scoperta di materiali e condizioni di processo. Lo strumento catalizzatore del laboratorio per la sintesi della deposizione di strati atomici offre un controllo preciso sul processo a livello atomico, e la piattaforma di sintesi robotica ad alto rendimento di Argonne seleziona più catalizzatori contemporaneamente per un'ampia varietà di reazioni e condizioni di reazione.