Under de senaste 20 åren har det gjorts ansträngningar för att minska användningen av fossila bränslen vid plasttillverkning, och, enligt forskare från Penn State, effektiva, anpassningsbara katalytiska reaktioner - där två metaller kombineras med en katalysator eller molekyl som förblir oförändrad under en reaktion – är ett attraktivt alternativ.

Forskare har hittat ett sätt att göra katalytiska reaktioner mindre slösaktiga och mer kostnadseffektiva genom att kontrollera placeringen av varje atom på katalysatorytan. Att kontrollera eller anpassa katalysatorerna minskar antalet onödiga konkurrensreaktioner och isolerar en framgångsrik, förutsägbar reaktion. Dessa resultat publicerades i Nature Chemistry .

"Genom att isolera en aktiv metall i en inert värd, och exakt kontrollera det exakta förhållandet mellan metallerna, kan vi få ett målriktat mönster av de två metallatomerna", säger Michael Janik, Penn State professor i kemiteknik och co-rektor för utredare för studien.

Forskare använde palladium, som fungerade som den aktiva katalysatorkomponenten, och zink, den inerta värden, för att bilda en intermetallisk, en förening med två eller flera typer av metallatomer arrangerade i ett upprepande mönster.

Forskarna, ledda av Janik och co-principal forskaren Robert Rioux, Penn State Friedrich G. Helfferich professor i kemiteknik, testade olika mängder zink och palladium och fann att olika förhållanden mellan zink och palladium hade mycket olika katalytisk reaktivitet.

Forskarna justerade förhållandet mellan palladium och zink för att bilda ytor som endast innehöll isolerade palladiummonomerer och -trimerer, eller kluster av tre intilliggande atomer. De visade att både palladiummonomerer och trimerer kunde hydrera - eller tillsätta vätgas till - acetylen, och därmed skapa eten, en gas som behövs för att bearbeta plast.

Men i processen katalyserade palladiumtrimerer också en etylenhydreringsreaktion, en oönskad konsekvens, som uteslöt att använda trimerer. Isolerade palladiummonomerer omgivna av zinkatomer var emellertid en effektiv konfiguration för selektiv hydrogenering av acetylen.

På grund av sitt arbete med detta dokument fick Janik, Rioux och deras medarbetare ett anslag på 1,2 miljoner USD 2019 från det amerikanska energidepartementet med målet att utöka vetenskapen till nya tillämpningar.

"Vi kommer att använda beräkningsmodellering och maskininlärning för att förutsäga design av andra intermetalliska material som kommer att ordna ett visst antal metallatomer i unika konfigurationer," sa Janik. "Vi försöker nu hitta andra kombinationer av två metaller som gör att vi kan kontrollera arrangemanget av de två metallatomerna."

Janik, Rioux och medarbetare vid Penn State och Carnegie Mellon University använder nu datavetenskapliga metoder för att upptäcka andra intermetalliska katalysatorer med exakta och avstämbara reaktionsställen. Tillsammans med Zachary Ulissi, docent i kemiteknik vid CMU, kodade de en allmänt tillgänglig webbapplikation, känd som Nuclearity Zoo, som beräknar arrangemanget och formen av alla kombinationer av aktiva och inaktiva metaller och listar alla potentiella atomarrangemang av dem. Appen använder grafteoretiska metoder för att kategorisera aktiva webbplatsformer och storlekar.

"Till exempel finns det 237 sätt som palladium kan kombineras med zink för att få ett par palladiumatomer som är isolerade", sa Janik och hänvisade till webbappens resultat när de matade in de två metallerna. "Då kan du ladda ner strukturen för atomerna för var och en av arrangemangen."

Forskargruppen använder nu app- och datavetenskapliga metoder för att beräkna aktiva och selektiva katalysatorer för ett antal industriellt viktiga reaktioner. + Utforska vidare

Styromvandling av koldioxid och etan till önskade produkter