Sản xuất nhựa tiết kiệm năng lượng hơn

Một trong những sản phẩm hóa chất có khối lượng lớn nhất, propylene trị giá hơn 100 tỷ đô la được sản xuất mỗi năm và được sử dụng chủ yếu để sản xuất polypropylene - một loại nhựa nhiệt dẻo polymer có độ cứng, dai dùng trong nhiều loại vật liệu, từ khuôn phun trong các bộ phận xe hơi đến các sản phẩm tiêu dùng. Sản xuất propylene cũng tiêu tốn nhiều năng lượng, đòi hỏi nhiệt độ khoảng 800 độ C để chuyển khí propane thành propylene.

Một kỹ thuật, được gọi là dehydro hóa oxy hóa, từ lâu đã được nghiên cứu như một cách thay thế để tạo ra propylen từ propan mà không bị hạn chế về nhiệt độ cao. Phương pháp này phản ứng propan và oxy qua chất xúc tác để tạo ra propylene và nước. Tuy nhiên, bởi vì propylen phản ứng với oxy nhiều hơn propan, phản ứng này thường chỉ tạo ra một lượng nhỏ propylen.

Justin Notestein, giáo sư kỹ thuật hóa học và sinh học tại Trường Kỹ thuật McCormick cho biết: “Phản ứng hoạt động, nhưng tương tự như khi bạn bật bếp ga để nấu ăn ở nhà, bạn không tạo ra propylene, bạn chỉ đốt cháy propan. "Thay vì tìm kiếm chất xúc tác phù hợp, chúng tôi đã giải cấu trúc phản ứng dehydro hóa oxy hóa thành hai thành phần - dehydro hóa và đốt cháy hydro chọn lọc - sau đó thiết kế một vật liệu song song thực hiện cả hai phản ứng, theo một thứ tự cụ thể. Điều này tạo ra sản lượng cao nhất là propylene từ trước đến nay."

Trong cách tiếp cận mới, các nhà nghiên cứu đã thiết kế hai chất xúc tác có kích thước gần nhau ở kích thước nano: một chất xúc tác dựa trên bạch kim loại bỏ một cách có chọn lọc hydro khỏi propan để tạo ra propylene và một chất xúc tác dựa trên oxit indium đốt cháy hydro một cách có chọn lọc.

Các thử nghiệm của nhóm đã tạo ra những cải tiến đáng chú ý về năng suất propan để sản xuất propylene. Ở 450 độ C, các thử nghiệm tạo ra 30% năng suất từ ​​một lần đi qua lò phản ứng, đồng thời đảm bảo rằng hơn 75% nguyên tử cacbon trong propan trở thành propylen. 

Notestein, giám đốc Trung tâm Xúc tác và Khoa học Bề mặt, thuộc Viện Năng lượng và Bền vững tại Northwestern cho biết: “Dựa vào các chu trình thiết kế-xây dựng-thử nghiệm trong việc tìm kiếm các hệ thống xúc tác hiệu suất cao, điều này đặc biệt có thể mang lại lợi ích cho các nhà máy hóa chất nhỏ hơn. Theo đó, việc tiêu thụ năng lượng hiệu quả là vô cùng quan trọng trong khi các chiến lược hiện tại được áp dụng có thể không khả thi."

Các phát hiện cũng có thể cải thiện hơn nữa hiệu quả năng lượng của việc sản xuất nhiều loại nhựa được sử dụng trong các ứng dụng kết cấu và vật liệu. Ví dụ, các bộ phận bằng nhựa trong ô tô giúp xe có trọng lượng nhẹ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, trong khi bọc và ốp nhà bằng polymer có độ bền cao và giúp giữ ấm và giữ nhà khô ráo.