ارائه نانوکاتالیستی برای تولید صنعتی پروپیلن اکساید

محققان با سنتز نوعی نانوذرات اکسید مس، نشان دادند که این نانوذرات با انتخاب‌پذیری بالا می‌تواند برای تولید پروپیلن اکساید استفاده شود.

نانوبلور‌های مکعبی ریز Cu₂O به‌عنوان کاتالیزور بسیار انتخابی برای تولید پروپیلن اکسید عمل می‌کنند. پروپیلن اکساید (PO) یک محصول واسطه‌ای ارزشمند در صنایع شیمیایی است. تولید صنعتی فعلی پروپیلن اکساید نه مقرون به صرفه و نه سازگار با محیط زیست است. اپوکسیداسیون پروپیلن با O2 به PO می‌تواند بر این معایب غلبه کند. با این حال، کاربرد عملی آن به‌دلیل عدم وجود کاتالیزور کارآمد با گزینش پذیری بالا با چالش‌هایی روبرو می‌شود.

تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور هوانگ وزینگ از دانشگاه علم و فناوری چین (USTC) از آکادمی علوم چین بر اساس تحقیقات قبلی خود بر روی کاتالیزورهای Cu₂O، حدس زدند که لبه‌های {۱۱۰} در Cu₂O ممکن است در واکنش‌های اپوکسیداسیون پروپیلن بسیار مهم باشند. با این حال، نانوذرات Cu₂O دوازده وجهی لوزی شکل دارای لبه‌های کافی {۱۱۰} نیستند، در حالی که مکعب‌های Cu₂O کوچک‌تر از ۱۰۰ نانومتر از نظر لبه‌های {۱۱۰} بسیار غنی‌تر هستند.

در مقاله‌‌ای که در Nature Communications منتشر شد، تیم پروفسور هوانگ وزینگ نانوبلور‌های مکعبی Cu₂O را ساختند که کاتالیزوری با گزینش‌پذیری بالا برای اپوکسیداسیون پروپیلن بوده و مکانیسمی در این مقاله گزارش شده که نشان می‌دهد که با استفاده از آن نانوبلور Cu₂O عملکرد کاتالیزوری پیشرفته‌تری دارند.

محققان با استفاده از اثر اندازه، مکعب‌های Cu₂O را با اندازه متوسط ​​۲۷ نانومتر سنتز کردند که گزینش‌پذیری پروپیلن اکساید فوق‌العاده را در دمای نسبتاً پایین نشان داد. نتایج این مقاله تأیید می‌کند که سایت‌های{۱۱۰} فراوان Cu₂O سایت فعال برای تولید پروپیلن اکساید است.

تحقیقات بیشتر در مورد ساز و کار کاتالیزوری این نانوذرات، یک رفتار وابسته به دما را برای کاتالیزور نشان داد. تحت دماهای پایین، واکنش توسط مکانیسم Langmuir-Hinshelwood (LH) انجام می‌شد، که در آن گونه‌های O₂ با جذب ضعیف به عنوان گونه‌های اکسیژن فعال عمل می‌کردند. در دمای بالا، مکانیسم Mars-van Krevelen (MvK) نقش اصلی را ایفا کرد. CO₂ و آکرولئین نیز به عنوان محصولات جانبی تشکیل شدند که انتخاب پذیری PO کاتالیزور را تضعیف کرد.

توسعه کاتالیست با گزینش پذیری PO بالا در اپوکسیداسیون پروپیلن، رویکرد جدیدی را برای طراحی کاتالیزور کارآمد برای اپوکسیداسیون پروپیلن ارائه می دهد.