Cientistas agora podem projetar catalisadores de átomo único para reações químicas importantes

By Tufts University 29 de junho de 2021

Representação artística do processo de desidrogenação do propano que ocorre no novo catalisador de liga de átomo único, conforme previsto pela teoria. A imagem mostra o estado de transição obtido a partir de um cálculo de química quântica em um supercomputador, ou seja, a configuração molecular da energia máxima ao longo do caminho da reação. Crédito: Charles Sykes e Michail Stamatakis

Usando cálculos fundamentais de interações moleculares, eles criaram um catalisador com 100% de seletividade na produção de propileno, um precursor essencial para a fabricação de plásticos e tecidos.

Pesquisadores da Universidade Tufts, da University College London (UCL), da Universidade de Cambridge e da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara demonstraram que um catalisador pode de fato ser um agente de mudança. Num estudo publicado hoje na Science, usaram simulações químicas quânticas executadas em supercomputadores para prever uma nova arquitetura de catalisador, bem como as suas interações com determinados produtos químicos, e demonstraram na prática a sua capacidade de produzir propileno – atualmente em falta – que é extremamente necessário. na fabricação de plásticos, tecidos e outros produtos químicos. As melhorias têm potencial para uma química altamente eficiente e “mais verde” com menor pegada de carbono.

The demand for propylene is about 100 million metric tons per year (worth about $200 billion), and there is simply not enough available at this time to meet surging demand. Next to sulfuric acidAny substance that when dissolved in water, gives a pH less than 7.0, or donates a hydrogen ion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> ácido e eteno, sua produção envolve o terceiro maior processo de conversão da indústria química em escala. O método mais comum de produção de propileno e etileno é o craqueamento a vapor, que tem rendimento limitado a 85% e é um dos processos que mais consomem energia na indústria química. As matérias-primas tradicionais para a produção de propileno são subprodutos das operações de petróleo e gás, mas a mudança para o gás de xisto limitou a sua produção.

Os catalisadores típicos utilizados na produção de propileno a partir do propano encontrado no gás de xisto são compostos de combinações de metais que podem ter uma estrutura aleatória e complexa em nível atômico. Os átomos reativos geralmente estão agrupados de muitas maneiras diferentes, dificultando o projeto de novos catalisadores para reações, com base em cálculos fundamentais sobre como os produtos químicos podem interagir com a superfície catalítica.

By contrast, single-atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">atom alloyA mixture of two metallic elements typically used to give greater strength or higher resistance to corrosion." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> catalisadores de liga, descobertos na Universidade Tufts e relatados pela primeira vez na Science em 2012, dispersam átomos de metal reativos únicos em uma superfície de catalisador mais inerte, a uma densidade de cerca de 1 átomo reativo para 100 átomos inertes. Isto permite uma interação bem definida entre um único átomo catalítico e o produto químico que está sendo processado, sem ser agravado por interações estranhas com outros metais reativos próximos. As reações catalisadas por ligas de átomo único tendem a ser limpas e eficientes e, como demonstrado no presente estudo, agora são previsíveis por métodos teóricos.

“Adotamos uma nova abordagem para o problema usando cálculos de primeiros princípios executados em supercomputadores com nossos colaboradores da University College London e da Universidade de Cambridge, o que nos permitiu prever qual seria o melhor catalisador para converter propano em propileno”, disse Charles Sykes, o professor John Wade do Departamento de Química da Tufts University e autor correspondente do estudo.