Forskere kan forudsige og designe enkeltatomkatalysatorer til vigtige kemiske reaktioner

Forskere ved Tufts University, University College London (UCL), Cambridge University og University of California i Santa Barbara har vist, at en katalysator faktisk kan være en agent for forandring. I en undersøgelse offentliggjort i dag i Videnskab , de brugte kvantekemiske simuleringer kørt på supercomputere til at forudsige en ny katalysatorarkitektur såvel som dens interaktioner med visse kemikalier, og demonstrerede i praksis sin evne til at producere propylen - der i øjeblikket er mangelvare - hvilket er kritisk nødvendigt i fremstillingen af ​​plastik, stoffer og andre kemikalier. Forbedringerne har potentiale for højeffektive, "grønnere" kemi med et lavere CO2-fodaftryk.

Efterspørgslen efter propylen er omkring 100 millioner tons om året (værd omkring $200 milliarder), og der er simpelthen ikke nok til rådighed på nuværende tidspunkt til at imødekomme den stigende efterspørgsel. Udover svovlsyre og ethylen, dets produktion involverer den tredjestørste konverteringsproces i den kemiske industri i skala. Den mest almindelige metode til fremstilling af propylen og ethylen er dampkrakning, som har et udbytte begrænset til 85 % og er en af ​​de mest energikrævende processer i den kemiske industri. De traditionelle råvarer til fremstilling af propylen er biprodukter fra olie- og gasdrift, men skiftet til skifergas har begrænset produktionen.

Typiske katalysatorer, der anvendes til fremstilling af propylen fra propan, der findes i skifergas, er opbygget af kombinationer af metaller, der kan have en tilfældig, kompleks struktur på atomniveau. De reaktive atomer er normalt klynget sammen på mange forskellige måder, hvilket gør det vanskeligt at designe nye katalysatorer til reaktioner, baseret på fundamentale beregninger af, hvordan kemikalierne kan interagere med den katalytiske overflade.

Derimod enkelt-atom legerede katalysatorer, opdaget på Tufts University og først rapporteret i Videnskab i 2012, dispergere enkelte reaktive metalatomer i en mere inert katalysatoroverflade, ved en densitet på ca. 1 reaktivt atom til 100 inerte atomer. Dette muliggør en veldefineret interaktion mellem et enkelt katalytisk atom og det kemikalie, der behandles uden at blive forstærket af fremmede interaktioner med andre reaktive metaller i nærheden. Reaktioner katalyseret af enkeltatomlegeringer har tendens til at være rene og effektive, og, som vist i den aktuelle undersøgelse, de er nu forudsigelige ved teoretiske metoder.

"Vi tog en ny tilgang til problemet ved at bruge de første principper, beregninger kørt på supercomputere med vores samarbejdspartnere på University College London og Cambridge University, som gjorde det muligt for os at forudsige, hvad den bedste katalysator ville være til at omdanne propan til propylen, " sagde Charles Sykes, John Wade-professoren ved Institut for Kemi ved Tufts University og tilsvarende forfatter til undersøgelsen.

Disse beregninger, som førte til forudsigelser af reaktivitet på katalysatoroverfladen, blev bekræftet ved atom-skala billeddannelse og reaktioner kørt på modelkatalysatorer. Forskerne syntetiserede derefter enkelt-atom legerede nanopartikelkatalysatorer og testede dem under industrielt relevante forhold. I denne særlige applikation, rhodium (Rh) atomer spredt på en kobber (Cu) overflade virkede bedst til at dehydrogenere propan for at lave propylen.

"Forbedring af almindeligt anvendte heterogene katalysatorer har for det meste været en trial-and-error-proces, " sagde Michail Stamatakis, lektor i kemiteknik ved UCL og medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. "Enkeltatomkatalysatorerne giver os mulighed for ud fra de første principper at beregne, hvordan molekyler og atomer interagerer med hinanden på den katalytiske overflade, derved forudsige reaktionsresultater. I dette tilfælde, vi forudsagde, at rhodium ville være meget effektivt til at trække brinter fra molekyler som metan og propan - en forudsigelse, der var i modstrid med almindelig visdom, men som alligevel viste sig at være utrolig vellykket, når den blev ført ud i livet. Vi har nu en ny metode til rationelt design af katalysatorer. "

Enkeltatom Rh-katalysatoren var yderst effektiv, med 100 % selektiv produktion af produktet propylen, sammenlignet med 90 % for nuværende industrielle propylenproduktionskatalysatorer, hvor selektivitet refererer til andelen af ​​reaktioner ved overfladen, der fører til det ønskede produkt. "Det effektivitetsniveau kan føre til store omkostningsbesparelser og millioner af tons kuldioxid, der ikke bliver udledt til atmosfæren, hvis det bliver vedtaget af industrien, " sagde Sykes.

Ikke alene er enkeltatomlegeringskatalysatorerne mere effektive, men de har også en tendens til at køre reaktioner under mildere forhold og lavere temperaturer og kræver således mindre energi at køre end konventionelle katalysatorer. De kan være billigere at producere, kræver kun en lille brøkdel af ædle metaller som platin eller rhodium, hvilket kan være meget dyrt. For eksempel, prisen på rhodium er i øjeblikket omkring $22, 000 pr ounce, mens kobber, which comprises 99% of the catalyst, costs just 30 cents an ounce. The new rhodium/copper single-atom alloy catalysts are also resistant to coking—a ubiquitous problem in industrial catalytic reactions in which high carbon content intermediates—basically, soot—build up on the surface of the catalyst and begin inhibiting the desired reactions. These improvements are a recipe for "greener" chemistry with a lower carbon footprint.

"This work further demonstrates the great potential of single-atom alloy catalysts for addressing inefficiencies in the catalyst industry, which in turn has very large economic and environmental payoffs, " said Sykes.