Ученые теперь могут создавать одноатомные катализаторы для важных химических реакций

Автор: Университет Тафтса, 29 июня 2021 г.

Художественная визуализация процесса дегидрирования пропана, происходящего на новом катализаторе из одноатомного сплава, как и предсказывает теория. На рисунке показано переходное состояние, полученное в результате квантово-химического расчета на суперкомпьютере, то есть молекулярная конфигурация максимальной энергии на пути реакции. Фото: Чарльз Сайкс и Михаил Стаматакис.

Используя фундаментальные расчеты молекулярных взаимодействий, они создали катализатор со 100% селективностью в производстве пропилена, ключевого предшественника пластмасс и тканей.

Исследователи из Университета Тафтса, Университетского колледжа Лондона (UCL), Кембриджского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре продемонстрировали, что катализатор действительно может быть движущей силой перемен. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, они использовали квантово-химическое моделирование, выполненное на суперкомпьютерах, чтобы предсказать новую архитектуру катализатора, а также его взаимодействие с определенными химическими веществами, и продемонстрировали на практике его способность производить пропилен, который в настоящее время находится в дефиците, который критически необходим. в производстве пластмасс, тканей и других химикатов. Усовершенствования имеют потенциал для создания высокоэффективной, «более экологичной» химии с меньшим выбросом углекислого газа.

The demand for propylene is about 100 million metric tons per year (worth about $200 billion), and there is simply not enough available at this time to meet surging demand. Next to sulfuric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> кислоты и этилена, его производство представляет собой третий по масштабам процесс конверсии в химической промышленности. Наиболее распространенным методом получения пропилена и этилена является паровой крекинг, выход которого ограничен 85 %, и является одним из наиболее энергоемких процессов в химической промышленности. Традиционным сырьем для производства пропилена являются побочные продукты нефтегазовых операций, но переход на сланцевый газ ограничил его производство.

Типичные катализаторы, используемые при производстве пропилена из пропана, обнаруженного в сланцевом газе, состоят из комбинаций металлов, которые могут иметь случайную сложную структуру на атомном уровне. Реактивные атомы обычно группируются по-разному, что затрудняет разработку новых катализаторов реакций, основанных на фундаментальных расчетах того, как химические вещества могут взаимодействовать с каталитической поверхностью.

By contrast, single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Катализаторы из сплавов, открытые в Университете Тафтса и впервые опубликованные в журнале Science в 2012 году, диспергируют отдельные атомы реакционноспособного металла на более инертной поверхности катализатора с плотностью примерно от 1 реакционноспособного атома до 100 инертных атомов. Это обеспечивает четко определенное взаимодействие между одним каталитическим атомом и обрабатываемым химическим веществом, не усугубляясь посторонними взаимодействиями с другими химически активными металлами поблизости. Реакции, катализируемые одноатомными сплавами, обычно бывают чистыми и эффективными, и, как показано в текущем исследовании, теперь их можно предсказать теоретическими методами.

«Мы применили новый подход к проблеме, используя расчеты из первых принципов, выполненные на суперкомпьютерах вместе с нашими сотрудниками из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета, что позволило нам предсказать, какой катализатор будет лучшим для превращения пропана в пропилен», — сказал Чарльз Сайкс, профессор Джона Уэйда с кафедры химии Университета Тафтса и автор исследования.