Innovative nanocatalysts for sustainable non-oxidative dehydrogenation of propane

Abstract

Actualment, la producció de blocs de construcció de polímers, com per exemple el propè, es realitza mitjançant un procés de craqueig de nafta produint grans emissions de CO2 a causa de la seva naturalesa d’alta demanda energètica (temperatures de reacció 800-1200 C). Recentment, la deshidrogenació d’alcans lleugers va sorgir com una alternativa més eficient i sostenible per produir aquests blocs de construcció. Fins ara, la deshidrogenació de propà no oxidativa (PDH), s’aplica a escala industrial amb un èxit reduït a causa de la limitada estabilitat del catalitzador i de les limitacions termodinàmiques. La present tesis doctoral, pretén assolir la sostenibilitat en PDH utilitzant nanocatalitzadors innovadors per aconseguir un rendiment competitiu a temperatures més baixes. En aquest context, es van preparar catalitzadors eficients per PDH basats en nanopartícules (NPs) de metalls de transició suportats en materials basats en l’alúmina que van caracteritzar-se detingudament. Tres metodologies de síntesis diferents es van emprar per sintetitzar els nanocatalitzadors: (1) one-pot organometallic approach (OPOA), la química organometàl·lica superficial (SOMC) i la combinació d’ambdós (3) SOMC-OPOA.

Actualmente, la producción de bloques de construcción de polímeros, como por ejemplo el propeno, se lleva a cabo mediante el proceso de craqueo de nafta fósil, que produce grandes emisiones de CO2 debido a su naturaleza de alta demanda energética (temperaturas de reacción de 800-1200 C). Recientemente, la deshidrogenación de alcanos ligeros surgió como una alternativa más eficiente y sostenible para producir dichos componentes. Hasta la fecha, la deshidrogenación de propano no oxidativo (PDH) se aplica a escala industrial con un éxito limitado debido a la ineficiente estabilidad del catalizador y a las limitaciones termodinámicas. La presente tesis doctoral tiene como objetivo alcanzar la sostenibilidad en PDH utilizando nanocatalizadores innovadores para lograr un rendimiento competitivo a temperaturas más bajas. En este contexto, se prepararon catalizadores eficientes para PDH basados en nanopartículas (NPs) de metales de transición soportadas en materiales basados en alúmina que fueron caracterizados minuciosamente. Se utilizaron tres metodologías diferentes para sintetizar los nanocatalizadores: (1) “one-pot organometallic approach· (OPOA), (2) la química organometálica superficial (SOMC) y la combinación de ambas (3) SOMC-OPOA.

Currently, the production of polymer building blocks, i.e., propene, is carried out by cracking process of fossil naphtha, producing large CO2 emissions due to its high-energy demanding nature (i.e., reaction temperatures 800-1200 C). Recently, the dehydrogenation of light alkanes emerged as a more efficient and sustainable alternative to produce such building blocks. To date, the non-oxidative propane dehydrogenation (PDH) is applied at industrial scale with limited success due to the inefficient catalyst stability and thermodynamic limitations. The present PhD thesis aims at reaching sustainability in PDH using innovative nanocatalysts to attain competitive performance at lower temperatures. In this context, efficient PDH catalysts based on transition metal nanoparticles (NPs) supported onto alumina-based materials were prepared thoroughly characterized prior to their testing in this process. Three different methodologies were used to synthesize the nanocatalysts: (1) one-pot organometallic approach, (2) surface organometallic chemistry (SOMC) and the combination of both (3) SOMC-OPOA.