Investigadores de la Universidad de Tufts, University College London (UCL), La Universidad de Cambridge y la Universidad de California en Santa Bárbara han demostrado que un catalizador puede ser un agente de cambio. En un estudio publicado hoy en Ciencias , utilizaron simulaciones químicas cuánticas ejecutadas en supercomputadoras para predecir una nueva arquitectura de catalizador, así como sus interacciones con ciertos productos químicos, y demostró en la práctica su capacidad para producir propileno, actualmente en escasez, que es fundamentalmente necesario en la fabricación de plásticos. tejidos y otros productos químicos. Las mejoras tienen potencial para ser altamente eficientes, química "más verde" con una menor huella de carbono.

La demanda de propileno es de aproximadamente 100 millones de toneladas métricas por año (por un valor de aproximadamente $ 200 mil millones), y simplemente no hay suficiente disponible en este momento para satisfacer la creciente demanda. Junto al ácido sulfúrico y etileno, su producción implica el tercer proceso de conversión más grande en la industria química por escala. El método más común para producir propileno y etileno es el craqueo al vapor, que tiene un rendimiento limitado al 85% y es uno de los procesos más intensivos en energía en la industria química. Las materias primas tradicionales para la producción de propileno son subproductos de las operaciones de petróleo y gas, pero el cambio al gas de esquisto ha limitado su producción.

Los catalizadores típicos utilizados en la producción de propileno a partir de propano que se encuentra en el gas de esquisto están compuestos por combinaciones de metales que pueden tener un valor aleatorio, estructura compleja a nivel atómico. Los átomos reactivos generalmente se agrupan de muchas maneras diferentes, lo que dificulta el diseño de nuevos catalizadores para las reacciones. basado en cálculos fundamentales sobre cómo los productos químicos podrían interactuar con la superficie catalítica.

Por el contrario, catalizadores de aleación de un solo átomo, descubierto en la Universidad de Tufts y reportado por primera vez en Ciencias en 2012, dispersar átomos metálicos reactivos individuales en una superficie de catalizador más inerte, a una densidad de aproximadamente 1 átomo reactivo por 100 átomos inertes. Esto permite una interacción bien definida entre un solo átomo catalítico y el producto químico que se procesa sin que se vea agravado por interacciones extrañas con otros metales reactivos cercanos. Las reacciones catalizadas por aleaciones de un solo átomo tienden a ser limpias y eficientes, y, como se demostró en el estudio actual, ahora son predecibles mediante métodos teóricos.

"Adoptamos un nuevo enfoque del problema mediante el uso de cálculos de primeros principios ejecutados en supercomputadoras con nuestros colaboradores en University College London y Cambridge University, lo que nos permitió predecir cuál sería el mejor catalizador para convertir propano en propileno, "dijo Charles Sykes, el profesor John Wade en el Departamento de Química de la Universidad de Tufts y autor correspondiente del estudio.

Estos cálculos que llevaron a predicciones de reactividad en la superficie del catalizador fueron confirmados por imágenes a escala atómica y reacciones realizadas en catalizadores modelo. Luego, los investigadores sintetizaron catalizadores de nanopartículas de aleación de un solo átomo y los probaron en condiciones industrialmente relevantes. En esta aplicación en particular, Los átomos de rodio (Rh) dispersos sobre una superficie de cobre (Cu) funcionaron mejor para deshidrogenar el propano y producir propileno.

"La mejora de los catalizadores heterogéneos de uso común ha sido principalmente un proceso de prueba y error, "dijo Michail Stamatakis, profesor asociado de ingeniería química en la UCL y coautor del estudio. "Los catalizadores de un solo átomo nos permiten calcular desde los primeros principios cómo las moléculas y los átomos interactúan entre sí en la superficie catalítica, prediciendo así los resultados de la reacción. En este caso, predijimos que el rodio sería muy eficaz para extraer hidrógenos de moléculas como el metano y el propano, una predicción que iba en contra de la sabiduría común, pero que, sin embargo, resultó ser increíblemente exitosa cuando se puso en práctica. Ahora tenemos un nuevo método para el diseño racional de catalizadores ".

El catalizador Rh de un solo átomo fue muy eficiente, con producción 100% selectiva del producto propileno, en comparación con el 90% de los catalizadores de producción de propileno industrial actuales, donde la selectividad se refiere a la proporción de reacciones en la superficie que conduce al producto deseado. "Ese nivel de eficiencia podría conducir a grandes ahorros de costos y a que millones de toneladas de dióxido de carbono no se emitan a la atmósfera si es adoptado por la industria". "dijo Sykes.

Los catalizadores de aleación de un solo átomo no solo son más eficientes, pero también tienden a ejecutar reacciones en condiciones más suaves y temperaturas más bajas y, por lo tanto, requieren menos energía para funcionar que los catalizadores convencionales. Pueden ser más baratos de producir, requiriendo solo una pequeña fracción de metales preciosos como platino o rodio, que puede resultar muy caro. Por ejemplo, el precio del rodio actualmente ronda los $ 22, 000 por onza, mientras que el cobre, que comprende el 99% del catalizador, cuesta solo 30 centavos la onza. Los nuevos catalizadores de aleación de un solo átomo de rodio / cobre también son resistentes a la coquización, un problema omnipresente en las reacciones catalíticas industriales en las que los intermedios de alto contenido de carbono, básicamente, hollín:se acumula en la superficie del catalizador y comienza a inhibir las reacciones deseadas. Estas mejoras son una receta para una química "más ecológica" con una menor huella de carbono.

"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, " said Sykes.