研究人员使用量子化学模拟来预测新的催化剂建筑

新研究塔夫茨大学，伦敦大学（UCL），剑桥大学和加州大学Santa Barbara的大学表明，催化剂绝对可以成为变革的代理人。

使用量子化学模拟在超级计算机上运行，​​研究人员预测了新的催化剂设计以及这种设计与特定化学品的相互作用。在实践中，他们还表明了这种架构在短途供应中创造丙烯的能力 - 生产织物，塑料和其他化学品是至关重要的。该研究最近发表在亚博老虎机网登录日报》。

这种改进可能导致“绿色”，高效化学，碳足迹较低。

每年对丙烯的需求约为1000万吨（价值约2000亿美元），但此时不可用足够的丙烯来满足需求上升。在乙烯和硫酸旁边，丙烯的生产涉及化学界中的第三大转化过程。

蒸汽开裂是制备乙烯和丙烯的最常用技术。然而，这种方法的有限产量为85％，也是化学领域最能集中的程序之一。用于生产丙烯的标准原料实际上是由石油和天然气操作获得的副产物，但对页岩气的迁移限制了其生产。

用于在页岩气中发现的丙烯的丙烯的一般催化剂由金属组合组成。这些金属可以在原子水平处具有复杂的随机结构。

此外，反应性原子通常以几种不同的方式组合在一起。这使得难以基于用催化剂表面的化学物质的潜在相互作用的潜在相互作用的基础计算来开发新的催化剂。

另一方面，在塔夫茨大学确定的单原子合金催化剂并初始报道亚博老虎机网登录2012年期刊可以在催化剂的更惰性表面中分配单反应性金属原子，密度约为1个反应原子至100惰性原子。

这允许通过与其他附近的反应性金属的多余相互作用混合，使得化学物质和单一催化原子之间的定义相互作用。

单原子合金催化的反应是有效和清洁的，并且如新的研究工作所示，现在可以通过理论技术预测它们。

我们采取了新的方法来解决问题的第一个原则，在伦敦和剑桥大学的大学学院的合作者上运行超级计算机的计算，使我们能够预测最佳催化剂将丙烷转化为丙烯。

查尔斯·赛克斯，通讯作者，伦敦塔夫茨大学化学系约翰·韦德教授

通过原子级成像验证了导致预测催化剂表面上的反应性的计算，以及在模型催化剂上运行的反应。该团队随后在工业上相关条件下生产单原子合金纳米颗粒催化剂并评估它们。

然而，在该特定应用中，散射在铜（Cu）表面上的铑（RH）原子最佳地用于脱氢丙烷以产生丙烯。

常用异质催化剂的改善主要是试验和误差过程。单原子催化剂允许我们从第一个原理计算分子和原子在催化表面上彼此相互作用那从而预测反应结果。

Michail Stamatakis，学习与伦敦大学学院化学工程与化学工程副教授

Stamatakis继续，“在这种情况下，我们预测的铑将非常有效地拉出甲烷和丙烷的酸性分子 - 这是对常见智慧进行逆时针的预测，但在实践时，结果令人难以置信的成功。我们现在有一种新的催化剂设计方法。“

在该分析中，发现单个原子RH催化剂非常有效，具有完全选择性生产丙烯，与现有的产业丙烯生产催化剂相比，选择性是指催化表面的反应数量导致首选产品。

如果由于行业采用，那么效率水平可能导致大量的成本节省以及数百万吨二氧化碳未被排放到大气中。

查尔斯·赛克斯，通讯作者，伦敦塔夫茨大学化学系约翰·韦德教授

除了更有效的外，单原子合金催化剂还在较低温度和较温暖的条件下运行反应，从而涉及比传统催化剂的能量较少。单原子合金催化剂也可以更经济地生产，需要仅需要少量的贵金属，例如铑或铂，这可能是成本越长的。

例如，铑的当前成本约为每盎司22,000美元，而含有99％的催化剂的铜，费用仅为30美分。新型铑/铜单原子合金催化剂也不受焦化 - 在高碳含量中间体的工业催化反应中的普遍关注 - 基本上，烟灰 - 在催化剂表面上积聚并开始抑制所需的反应。这种增强功能用作“绿色”化学的配方，具有较低的碳足迹。

“这项工作进一步证明了用于解决催化剂行业低效率的单原子合金催化剂的巨大潜力，这反过来又具有非常大的经济和环境收益，“赛克结束了。

期刊参考：

汉根，R.T.，等。（2021）单原子合金丙烷脱氢催化剂的第一原理设计。亚博老虎机网登录科学。doi.org/10.1126/亚博老虎机网登录science.abg8389.。

来源:https://www.tufts.edu/