12.8 C
Brussel
Vrydag, Maart 29, 2024
NuusWetenskaplikes kan nou enkelatoom katalisators ontwerp vir belangrike chemiese reaksies

Wetenskaplikes kan nou enkelatoom katalisators ontwerp vir belangrike chemiese reaksies

VRYWARING: Inligting en menings wat in die artikels weergegee word, is dié van diegene wat dit vermeld en dit is hul eie verantwoordelikheid. Publikasie in The European Times beteken nie outomaties onderskrywing van die siening nie, maar die reg om dit uit te druk.

VRYWARINGVERTALINGS: Alle artikels op hierdie webwerf word in Engels gepubliseer. Die vertaalde weergawes word gedoen deur 'n outomatiese proses bekend as neurale vertalings. As jy twyfel, verwys altyd na die oorspronklike artikel. Dankie vir die begrip.

Enkel-rhodium-atoomlegering kataliseer propaan tot propeenreaksie

Artistieke weergawe van die propaan-dehidrogeneringsproses wat plaasvind op die nuwe enkel-atoom legering katalisator, soos voorspel deur teorie. Die prent toon die oorgangstoestand verkry uit 'n kwantumchemie-berekening op 'n superrekenaar, dit wil sê die molekulêre konfigurasie van maksimum energie langs die reaksiepad. Krediet: Charles Sykes & Michail Stamatakis

Deur fundamentele berekeninge van molekulêre interaksies te gebruik, het hulle 'n katalisator geskep met 100% selektiwiteit in die vervaardiging van propileen, 'n sleutelvoorloper vir plastiek- en materiaalvervaardiging.

Navorsers by Tufts Universiteit, University College London (UCL), Cambridge Universiteit en Universiteit van Kalifornië in Santa Barbara het getoon dat 'n katalisator inderdaad 'n agent van verandering kan wees. In 'n studie gepubliseer vandag in Wetenskap, het hulle kwantumchemiese simulasies wat op superrekenaars uitgevoer is gebruik om 'n nuwe katalisator-argitektuur sowel as die interaksies daarvan met sekere chemikalieë te voorspel, en het in die praktyk sy vermoë gedemonstreer om propileen te produseer – tans 'n tekort aan - wat krities nodig is in die vervaardiging van plastiek, materiaal en ander chemikalieë. Die verbeterings het potensiaal vir hoogs doeltreffende, "groener" chemie met 'n laer koolstofvoetspoor.

Die vraag na propileen is ongeveer 100 miljoen metrieke ton per jaar (sowat $200 miljard werd), en daar is eenvoudig nie genoeg beskikbaar op hierdie tydstip om in die groeiende vraag te voorsien nie. Naas swaelsuur en etileen behels die produksie daarvan die derde grootste omskakelingsproses in die chemiese industrie volgens skaal. Die mees algemene metode vir die vervaardiging van propileen en etileen is stoomkraking, wat 'n opbrengs beperk tot 85% het en een van die mees energie-intensiewe prosesse in die chemiese industrie is. Die tradisionele grondstowwe vir die vervaardiging van propileen is neweprodukte van olie- en gasbedrywighede, maar die verskuiwing na skaliegas het die produksie daarvan beperk.

Tipiese katalisators wat gebruik word in die produksie van propileen uit propaan wat in skaliegas voorkom, bestaan ​​uit kombinasies van metale wat 'n ewekansige, komplekse struktuur op atoomvlak kan hê. Die reaktiewe atome word gewoonlik op baie verskillende maniere saamgegroepeer, wat dit moeilik maak om nuwe katalisators vir reaksies te ontwerp, gebaseer op fundamentele berekeninge oor hoe die chemikalieë met die katalitiese oppervlak kan inwerk.

Daarenteen, enkel-atoom legering katalisators, ontdek by Tufts Universiteit en eerste berig in Wetenskap in 2012, versprei enkele reaktiewe metaalatome in 'n meer inerte katalisatoroppervlak, teen 'n digtheid van ongeveer 1 reaktiewe atoom tot 100 inerte atome. Dit maak 'n goed gedefinieerde interaksie tussen 'n enkele katalitiese atoom en die chemikalie wat verwerk word moontlik sonder om vererger te word deur vreemde interaksies met ander reaktiewe metale in die omgewing. Reaksies wat deur enkelatoom-legerings gekataliseer word, is geneig om skoon en doeltreffend te wees, en, soos gedemonstreer in die huidige studie, is dit nou voorspelbaar deur teoretiese metodes.

"Ons het 'n nuwe benadering tot die probleem geneem deur eerste beginselberekeninge wat op superrekenaars uitgevoer word, saam met ons medewerkers by University College London en Cambridge Universiteit te gebruik, wat ons in staat gestel het om te voorspel wat die beste katalisator sou wees om propaan in propileen om te skakel," het Charles Sykes gesê. die John Wade Professor in die Departement Chemie aan Tufts Universiteit en ooreenstemmende skrywer van die studie.

Hierdie berekeninge wat gelei het tot voorspellings van reaktiwiteit op die katalisator oppervlak is bevestig deur atoomskaal beelding en reaksies wat op model katalisators uitgevoer is. Die navorsers het toe enkel-atoom legering nanopartikel katalisators gesintetiseer en dit onder industrieel relevante toestande getoets. In hierdie spesifieke toepassing het rodium (Rh) atome versprei op 'n koper (Cu) oppervlak die beste gewerk om propaan te dehidrogeneer om propileen te maak.

"Die verbetering van algemeen gebruikte heterogene katalisators was meestal 'n proef-en-fout-proses," sê Michail Stamatakis, medeprofessor in chemiese ingenieurswese by UCL en mede-ooreenstemmende skrywer van die studie. “Die enkel-atoom katalisators stel ons in staat om uit eerste beginsels te bereken hoe molekules en atome met mekaar op die katalitiese oppervlak in wisselwerking tree, en sodoende reaksie-uitkomste voorspel. In hierdie geval het ons voorspel dat rhodium baie effektief sou wees om waterstof van molekules soos metaan en propaan af te trek - 'n voorspelling wat in stryd was met algemene wysheid, maar tog ongelooflik suksesvol geblyk het wanneer dit in die praktyk toegepas word. Ons het nou ’n nuwe metode vir die rasionele ontwerp van katalisators.”

Die enkelatoom Rh katalisator was hoogs doeltreffend, met 100% selektiewe produksie van die produk propileen, vergeleke met 90% vir huidige industriële propileen produksie katalisators, waar selektiwiteit verwys na die verhouding van reaksies op die oppervlak wat lei tot die gewenste produk. "Daardie vlak van doeltreffendheid kan lei tot groot kostebesparings en miljoene ton koolstofdioksied wat nie in die atmosfeer vrygestel word as dit deur die industrie aanvaar word nie," het Sykes gesê.

Nie net is die enkel-atoom legering katalisators meer doeltreffend nie, maar hulle is ook geneig om reaksies onder milder toestande en laer temperature uit te voer en vereis dus minder energie om te loop as konvensionele katalisators. Hulle kan goedkoper wees om te vervaardig, wat slegs 'n klein fraksie van edelmetale soos platinum of rodium benodig, wat baie duur kan wees. Byvoorbeeld, die prys van rodium is tans sowat $22,000 99 per ons, terwyl koper, wat 30% van die katalisator uitmaak, net XNUMX sent per ons kos. Die nuwe rodium-/koper-enkelatoom-legeringskatalisatore is ook bestand teen kooksing - 'n alomteenwoordige probleem in industriële katalitiese reaksies waarin hoë koolstofinhoud-tussenprodukte - basies roet - op die oppervlak van die katalisator opbou en die verlangde reaksies begin inhibeer. Hierdie verbeterings is 'n resep vir "groener" chemie met 'n laer koolstofvoetspoor.

"Hierdie werk demonstreer verder die groot potensiaal van enkelatoom-legeringskatalisators om ondoeltreffendheid in die katalisatorbedryf aan te spreek, wat op sy beurt baie groot ekonomiese en omgewingsuitbetalings het," het Sykes gesê.

Verwysing: "Eerste-beginsels ontwerp van 'n enkel-atoom-legering propaan dehidrogenering katalisator" deur Ryan T. Hannagan, Georgios Giannakakis, Romain Réocreux, Julia Schumann, Jordan Finzel, Yicheng Wang, Angelos Michaelides, Prashant Deshlahra, Phillip Christopher, Maria Flytzani -Stephanopoulos, Michail Stamatakis en E. Charles H. Sykes, 25 Junie 2021, Wetenskap.
DOI: 10.1126/science.abg8389

- Advertensie -

Meer van die skrywer

- EKSKLUSIEWE INHOUD -kol_img
- Advertensie -
- Advertensie -
- Advertensie -kol_img
- Advertensie -

Moet lees

Jongste artikels

- Advertensie -