Ученые могут предсказывать и разрабатывать одноатомные катализаторы для важных химических реакций

 

Исследователи из Университета Тафтса, Университетского колледжа Лондона (UCL), Кембриджского университета и Калифорнийского университета в Санта-Барбаре продемонстрировали, что катализатор действительно может быть фактором изменений. В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Science, они использовали квантово—химическое моделирование, выполненное на суперкомпьютерах, для прогнозирования новой архитектуры катализатора, а также его взаимодействия с определенными химическими веществами, и продемонстрировали на практике его способность производить пропилен—в настоящее время в дефиците-который критически необходим в производстве пластмасс, тканей и других химических веществ. Эти улучшения имеют потенциал для создания высокоэффективной, "более зеленой" химии с меньшим выбросом углерода.

 

Спрос на пропилен составляет около 100 миллионов метрических тонн в год (на сумму около 200 миллиардов долларов), и в настоящее время его просто недостаточно для удовлетворения растущего спроса. После серной кислоты и этилена его производство включает в себя третий по величине процесс конверсии в химической промышленности по масштабам. 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, содержащегося в сланцевом газе, состоят из комбинаций металлов, которые могут иметь случайную сложную структуру на атомном уровне. Реакционноспособные атомы обычно группируются вместе многими различными способами, что затрудняет разработку новых катализаторов для реакций, основанных на фундаментальных расчетах того, как химические вещества могут взаимодействовать с каталитической поверхностью.

Напротив, катализаторы из одноатомных сплавов, открытые в Университете Тафтса и впервые опубликованные в журнале Science в 2012 году, диспергируют одиночные реакционноспособные атомы металла на более инертной поверхности катализатора при плотности 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, как правило, являются чистыми и эффективными, и, как показано в текущем исследовании, теперь они предсказуемы теоретическими методами.

"Мы применили новый подход к проблеме, используя расчеты первых принципов, выполненные на суперкомпьютерах с нашими сотрудниками из Университетского колледжа Лондона и Кембриджского университета, что позволило нам предсказать, каким будет лучший катализатор для превращения пропана в пропилен", - сказал Чарльз Сайкс, профессор Джона Уэйда на химическом факультете Университета Тафтса и соответствующий автор исследования.

Эти расчеты, которые привели к предсказаниям реакционной способности на поверхности катализатора, были подтверждены визуализацией в атомном масштабе и реакциями, выполняемыми на модельных катализаторах. Затем исследователи синтезировали катализаторы из наночастиц одноатомного сплава и протестировали их в промышленных условиях. В этом конкретном применении атомы родия (Rh), диспергированные на поверхности меди (Cu), лучше всего работали для дегидрирования пропана с получением пропилена.

"Совершенствование широко используемых гетерогенных катализаторов в основном было процессом проб и ошибок",-сказал Михаил Стаматакис, доцент кафедры химической инженерии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и соавтор исследования. "Одноатомные катализаторы позволяют нам на основе первых принципов рассчитать, как молекулы и атомы взаимодействуют друг с другом на поверхности катализатора, тем самым предсказывая результаты реакции. В этом случае мы предсказали, что родий будет очень эффективен при извлечении водорода из молекул, таких как метан и пропан,—предсказание, которое противоречило здравому смыслу, но, тем не менее, оказалось невероятно успешным, когда его применили на практике. Теперь у нас есть новый метод рационального проектирования катализаторов."

Одноатомный катализатор Rh был высокоэффективным, со 100% селективным получением продукта пропилена, по сравнению с 90% для современных промышленных катализаторов производства пропилена, где селективность относится к доле реакций на поверхности, которая приводит к желаемому продукту. "Такой уровень эффективности может привести к значительной экономии средств и к тому, что миллионы тонн углекислого газа не будут выбрасываться в атмосферу, если он будет принят промышленностью", - сказал Сайкс.

Катализаторы из одноатомных сплавов не только более эффективны, но и имеют тенденцию проводить реакции в более мягких условиях и при более низких температурах и, следовательно, требуют меньше энергии для запуска, чем обычные катализаторы. Их производство может быть дешевле, так как требуется лишь небольшая доля драгоценных металлов, таких как платина или родий, что может быть очень дорогим. Например, цена родия в настоящее время составляет около 22 000 долларов за унцию, в то время как медь, которая составляет 99% катализатора, стоит всего 30 центов за унцию. Новые катализаторы из одноатомного сплава родия/меди также устойчивы к коксованию-повсеместная проблема в промышленных каталитических реакциях, в которых промежуточные продукты с высоким содержанием углерода—в основном сажа—накапливаются на поверхности катализатора и начинают ингибировать желаемые реакции. Эти улучшения являются рецептом для "более зеленой" химии с меньшим углеродным следом.

"Эта работа еще раз демонстрирует большой потенциал катализаторов из одноатомных сплавов для устранения недостатков в каталитической промышленности, что, в свою очередь, приносит очень большие экономические и экологические выгоды",-сказал Сайкс.

ИСТОЧНИК

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (25.06.2021)
Просмотров: 33 | Рейтинг: 0.0/0