Onderzoekers van Tufts University, University College Londen (UCL), Cambridge University en University of California in Santa Barbara hebben aangetoond dat een katalysator inderdaad een middel tot verandering kan zijn. In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap , ze gebruikten kwantumchemische simulaties op supercomputers om een ​​nieuwe katalysatorarchitectuur te voorspellen, evenals de interacties met bepaalde chemicaliën, en heeft in de praktijk aangetoond dat het propyleen kan produceren - momenteel schaars - dat van cruciaal belang is bij de productie van kunststoffen, stoffen en andere chemicaliën. De verbeteringen hebben potentieel voor zeer efficiënte, "groenere" chemie met een lagere ecologische voetafdruk.

De vraag naar propyleen is ongeveer 100 miljoen ton per jaar (ter waarde van ongeveer $ 200 miljard), en er is op dit moment gewoon niet genoeg beschikbaar om aan de stijgende vraag te voldoen. Naast zwavelzuur en ethyleen, de productie ervan omvat het op twee na grootste conversieproces in de chemische industrie qua schaal. De meest gebruikelijke methode voor het produceren van propyleen en ethyleen is stoomkraken, dat een rendement heeft dat beperkt is tot 85% en een van de meest energie-intensieve processen in de chemische industrie is. De traditionele grondstoffen voor de productie van propyleen zijn bijproducten van olie- en gasactiviteiten, maar de verschuiving naar schaliegas heeft de productie ervan beperkt.

Typische katalysatoren die worden gebruikt bij de productie van propyleen uit propaan in schaliegas, bestaan ​​uit combinaties van metalen die een willekeurige, complexe structuur op atomair niveau. De reactieve atomen zijn meestal op veel verschillende manieren geclusterd, waardoor het moeilijk is om nieuwe katalysatoren voor reacties te ontwerpen, gebaseerd op fundamentele berekeningen over hoe de chemicaliën kunnen interageren met het katalytische oppervlak.

Daarentegen, katalysatoren met één atoomlegering, ontdekt aan de Tufts University en voor het eerst gerapporteerd in Wetenschap in 2012, dispergeer enkele reactieve metaalatomen in een meer inert katalysatoroppervlak, bij een dichtheid van ongeveer 1 reactief atoom tot 100 inerte atomen. Dit maakt een goed gedefinieerde interactie mogelijk tussen een enkel katalytisch atoom en de chemische stof die wordt verwerkt zonder te worden verergerd door externe interacties met andere reactieve metalen in de buurt. Reacties die worden gekatalyseerd door legeringen met één atoom zijn meestal schoon en efficiënt, en, zoals aangetoond in de huidige studie, ze zijn nu voorspelbaar door theoretische methoden.

"We hebben het probleem op een nieuwe manier benaderd door gebruik te maken van eerste-principes-berekeningen die op supercomputers worden uitgevoerd met onze medewerkers van University College London en Cambridge University, waardoor we konden voorspellen wat de beste katalysator zou zijn om propaan om te zetten in propyleen, " zei Charles Sykes, de John Wade Professor in de afdeling Scheikunde aan de Tufts University en de corresponderende auteur van de studie.

Deze berekeningen, die leidden tot voorspellingen van de reactiviteit op het katalysatoroppervlak, werden bevestigd door beeldvorming op atomaire schaal en reacties die werden uitgevoerd op modelkatalysatoren. De onderzoekers synthetiseerden vervolgens nanodeeltjeskatalysatoren met een enkel atoom en testten ze onder industrieel relevante omstandigheden. In deze specifieke toepassing, Rhodium (Rh) atomen gedispergeerd op een koper (Cu) oppervlak werkten het beste om propaan te dehydrogeneren om propyleen te maken.

"Verbetering van veelgebruikte heterogene katalysatoren is meestal een proces van vallen en opstaan ​​geweest, " zei Michail Stamatakis, universitair hoofddocent chemische technologie aan de UCL en co-corresponderende auteur van de studie. "De katalysatoren met één atoom stellen ons in staat om uit de eerste principes te berekenen hoe moleculen en atomen met elkaar interageren aan het katalytische oppervlak, waardoor de reactie-uitkomsten worden voorspeld. In dit geval, we voorspelden dat rhodium zeer effectief zou zijn in het verwijderen van waterstofatomen van moleculen zoals methaan en propaan - een voorspelling die indruiste tegen de algemene wijsheid, maar desalniettemin ongelooflijk succesvol bleek te zijn toen ze in de praktijk werd gebracht. We hebben nu een nieuwe methode voor het rationeel ontwerpen van katalysatoren."

De Rh-katalysator met één atoom was zeer efficiënt, met 100% selectieve productie van het product propyleen, vergeleken met 90% voor de huidige industriële katalysatoren voor de productie van propyleen, waarbij selectiviteit verwijst naar het aandeel reacties aan het oppervlak dat leidt tot het gewenste product. "Dat niveau van efficiëntie kan leiden tot grote kostenbesparingen en miljoenen tonnen koolstofdioxide die niet in de atmosfeer worden uitgestoten als het door de industrie wordt overgenomen, ' zei Sykes.

Niet alleen zijn de katalysatoren van een enkele atoomlegering efficiënter, maar ze hebben ook de neiging om reacties uit te voeren onder mildere omstandigheden en lagere temperaturen en hebben dus minder energie nodig om uit te voeren dan conventionele katalysatoren. Ze kunnen goedkoper zijn om te produceren, die slechts een kleine fractie edele metalen zoals platina of rhodium nodig hebben, which can be very expensive. Bijvoorbeeld, the price of rhodium is currently around $22, 000 per ounce, while copper, 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.