塔夫斯大學、倫敦大學學院 (UCL)、劍橋大學和加州大學圣巴巴拉分校的研究人員已經證明,催化劑確實可以成為變革的推動者。在發表在《科學》雜志上的一項研究中,他們使用在超級計算機上運行的量子化學模擬來預測新的催化劑結構以及它與某些化學物質的相互作用,并在實踐中證明了它生產丙烯的能力,目前供不應求。這是急需的用于制造塑料、織物和其他化學品。這些改進有可能實現高效、“更綠色”、碳足跡更低的化學物質。

新型催化劑在生產乙烯時具有 100% 選擇性

丙烯的需求量約為每年 1 億公噸(價值約 2,000 億美元),目前根本無法滿足激增的需求。其生產規模僅次于硫酸和乙烯,是化工行業第三大轉化工藝。生產丙烯和乙烯的最常見方法是蒸汽裂解,其產率限制在 85% 以內,是化學工業中能耗最高的工藝之一。生產丙烯的傳統原料是石油和天然氣業務的副產品,但向頁巖氣的轉變限制了其生產。


用于從頁巖氣中發現的丙烷生產丙烯的典型催化劑由金屬組合組成,這些金屬在原子水平上可能具有隨機、復雜的結構。反應性原子通常以許多不同的方式聚集在一起,這使得基于化學物質如何與催化表面相互作用的基本計算,設計新的反應催化劑變得困難。


相比之下,在塔夫茨大學發現并于 2012 年首次在《科學》雜志上報道的單原子合金催化劑將單個活性金屬原子分散在更惰性的催化劑表面,密度約為 1 個活性原子比 100 個惰性原子。這使得單個催化原子和正在處理的化學品之間能夠進行明確的相互作用,而不會因與附近其他活性金屬的外來相互作用而混合。由單原子合金催化的反應往往是清潔和高效的,而且正如目前的研究所證明的那樣,它們現在可以通過理論方法進行預測。

新型催化劑在生產乙烯時具有 100% 選擇性

我們與倫敦大學學院和劍橋大學的合作者一起使用在超級計算機上運行的第一性原理計算采用了一種新方法來解決這個問題,這使我們能夠預測將丙烷轉化為丙烯的最佳催化劑,查爾斯賽克斯說,他是塔夫茨大學化學系約翰韋德教授和該研究的通訊作者。


這些導致預測催化劑表面反應性的計算通過原子級成像和模型催化劑上運行的反應得到證實。研究人員隨后合成了單原子合金納米粒子催化劑,并在工業相關條件下對其進行了測試。在此特定應用中,分散在銅 (Cu) 表面上的銠 (Rh) 原子最適合將丙烷脫氫以制造丙烯。


常用多相催化劑的改進主要是一個反復試驗的過程,倫敦大學學院化學工程副教授、該研究的共同通訊作者 Michail Stamatakis 說,單原子催化劑使我們能夠根據第一原理計算分子和原子如何在催化表面相互作用,從而預測反應結果。在這種情況下,我們預測銠將非常有效地將氫從甲烷和丙烷——這一預測與常識背道而馳,但在付諸實踐時卻取得了令人難以置信的成功。我們現在有了一種合理設計催化劑的新方法。


單原子 Rh 催化劑非常高效,丙烯產品的選擇性生產率為 100%,而當前工業丙烯生產催化劑的選擇性為 90%,其中選擇性是指產生所需產品的表面反應比例。如果被工業采用,這種效率水平可以節省大量成本,并且不會將數百萬噸的二氧化碳排放到大氣中,賽克斯說。


單原子合金催化劑不僅效率更高,而且還傾向于在更溫和的條件和更低的溫度下進行反應,因此與傳統催化劑相比,運行所需的能量更少。它們的生產成本可能更低,只需要一小部分貴金屬,如鉑或銠,這些貴金屬可能非常昂貴。例如,銠的價格目前約為每盎司 22,000 美元,而占催化劑 99% 的銅的價格僅為每盎司 30 美分。新型銠/銅單原子合金催化劑還具有抗焦化能力——這是工業催化反應中普遍存在的問題,其中高碳含量中間體——基本上是煙灰——在催化劑表面積聚并開始抑制所需的反應. 這些改進是“更環?!钡拿卦E


這項工作進一步證明了單原子合金催化劑在解決催化劑行業效率低下的巨大潛力,這反過來又具有非常大的經濟和環境收益,賽克斯說。


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