Forskare vid Tufts University, University College London (UCL), Cambridge University och University of California i Santa Barbara har visat att en katalysator verkligen kan vara en förändringsagent. I en studie publicerad idag i Vetenskap , de använde kvantkemiska simuleringar som kördes på superdatorer för att förutsäga en ny katalysatorarkitektur såväl som dess interaktioner med vissa kemikalier, och visade i praktiken sin förmåga att producera propen – för närvarande en bristvara – som är avgörande vid tillverkning av plast, tyger och andra kemikalier. Förbättringarna har potential för mycket effektiva, "grönare" kemi med lägre koldioxidavtryck.

Efterfrågan på propen är cirka 100 miljoner ton per år (värd cirka 200 miljarder USD), och det finns helt enkelt inte tillräckligt tillgängligt just nu för att möta stigande efterfrågan. Bredvid svavelsyra och eten, dess produktion omfattar den tredje största omvandlingsprocessen i den kemiska industrin i skala. Den vanligaste metoden för att producera propen och eten är ångkrackning, som har ett utbyte begränsat till 85 % och är en av de mest energikrävande processerna inom den kemiska industrin. De traditionella råvarorna för att producera propen är biprodukter från olje- och gasverksamhet, men övergången till skiffergas har begränsat dess produktion.

Typiska katalysatorer som används vid produktion av propen från propan som finns i skiffergas är uppbyggda av kombinationer av metaller som kan ha en slumpmässig, komplex struktur på atomnivå. De reaktiva atomerna är vanligtvis samlade på många olika sätt vilket gör det svårt att designa nya katalysatorer för reaktioner, baserat på grundläggande beräkningar av hur kemikalierna kan interagera med den katalytiska ytan.

Däremot enatoms legeringskatalysatorer, upptäcktes vid Tufts University och rapporterades först i Vetenskap under 2012, dispergera enstaka reaktiva metallatomer i en mer inert katalysatoryta, vid en densitet av cirka 1 reaktiv atom till 100 inerta atomer. Detta möjliggör en väldefinierad interaktion mellan en enda katalytisk atom och kemikalien som bearbetas utan att förvärras av främmande interaktioner med andra reaktiva metaller i närheten. Reaktioner katalyserade av enatomslegeringar tenderar att vara rena och effektiva, och, som visas i den aktuella studien, de är nu förutsägbara med teoretiska metoder.

"Vi tog ett nytt förhållningssätt till problemet genom att använda första principberäkningar som körs på superdatorer med våra medarbetare vid University College London och Cambridge University, vilket gjorde det möjligt för oss att förutsäga vad den bästa katalysatorn skulle vara för att omvandla propan till propen, sa Charles Sykes, John Wade professor vid Institutionen för kemi vid Tufts University och motsvarande författare till studien.

Dessa beräkningar som ledde till förutsägelser om reaktivitet på katalysatorytan bekräftades av atomisk skala avbildning och reaktioner körda på modellkatalysatorer. Forskarna syntetiserade sedan enatomslegerade nanopartikelkatalysatorer och testade dem under industriellt relevanta förhållanden. I denna speciella applikation, rodium (Rh) atomer dispergerade på en koppar (Cu) yta fungerade bäst för att dehydrera propan för att göra propen.

"Förbättring av vanligt använda heterogena katalysatorer har mestadels varit en trial-and-error-process, " sa Michail Stamatakis, docent i kemiteknik vid UCL och medförfattare till studien. "Enatomskatalysatorerna tillåter oss att utifrån första principer beräkna hur molekyler och atomer interagerar med varandra vid den katalytiska ytan, därigenom förutsäga reaktionsresultat. I detta fall, vi förutspådde att rodium skulle vara mycket effektivt för att dra väte från molekyler som metan och propan – en förutsägelse som stred mot allmän visdom men som ändå visade sig vara otroligt framgångsrik när den sattes i praktiken. Vi har nu en ny metod för rationell design av katalysatorer."

Enatom Rh-katalysatorn var mycket effektiv, med 100 % selektiv produktion av produkten propen, jämfört med 90 % för nuvarande industriella propenproduktionskatalysatorer, där selektivitet avser andelen reaktioner vid ytan som leder till den önskade produkten. "Denna effektivitetsnivå kan leda till stora kostnadsbesparingar och att miljontals ton koldioxid inte släpps ut i atmosfären om den antas av industrin, sa Sykes.

Inte bara är de enatomiga legeringskatalysatorerna mer effektiva, men de tenderar också att köra reaktioner under mildare förhållanden och lägre temperaturer och kräver således mindre energi för att köras än konventionella katalysatorer. De kan vara billigare att tillverka, kräver bara en liten del av ädelmetaller som platina eller rodium, vilket kan bli väldigt dyrt. Till exempel, priset på rodium är för närvarande runt $22, 000 per uns, medan koppar, som utgör 99 % av katalysatorn, kostar bara 30 cent per uns. 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, sa Sykes.