Gli scienziati possono ora progettare catalizzatori a singolo atomo per importanti reazioni chimiche

Da Tufts University29 giugno 2021

Rappresentazione artistica del processo di deidrogenazione del propano che avviene sul nuovo catalizzatore in lega a singolo atomo, come previsto dalla teoria. L'immagine mostra lo stato di transizione ottenuto da un calcolo di chimica quantistica su un supercomputer, ovvero la configurazione molecolare di massima energia lungo il percorso di reazione. Crediti: Charles Sykes e Michail Stamatakis

Utilizzando calcoli fondamentali delle interazioni molecolari, hanno creato un catalizzatore con una selettività del 100% nella produzione di propilene, un precursore chiave per la produzione di plastica e tessuti.

Ricercatori della Tufts University, dell’University College di Londra (UCL), dell’Università di Cambridge e dell’Università della California a Santa Barbara hanno dimostrato che un catalizzatore può effettivamente essere un agente di cambiamento. In uno studio pubblicato oggi su Science, hanno utilizzato simulazioni chimiche quantistiche eseguite su supercomputer per prevedere una nuova architettura catalitica e le sue interazioni con alcune sostanze chimiche, e hanno dimostrato in pratica la sua capacità di produrre propilene – attualmente scarso – che è estremamente necessario nella produzione di plastica, tessuti e altri prodotti chimici. I miglioramenti hanno il potenziale per una chimica altamente efficiente e “più verde” con un’impronta di carbonio inferiore.

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"}]"> acido ed etilene, la sua produzione comporta il terzo processo di conversione più grande in termini di scala nell'industria chimica. Il metodo più comune per produrre propilene ed etilene è lo steam cracking, che ha una resa limitata all'85% ed è uno dei processi a maggior consumo energetico nell'industria chimica. Le materie prime tradizionali per la produzione di propilene sono sottoprodotti delle operazioni di petrolio e gas, ma il passaggio allo shale gas ne ha limitato la produzione.

I catalizzatori tipici utilizzati nella produzione di propilene dal propano presente nello shale gas sono costituiti da combinazioni di metalli che possono avere una struttura casuale e complessa a livello atomico. Gli atomi reattivi sono solitamente raggruppati insieme in molti modi diversi, rendendo difficile la progettazione di nuovi catalizzatori per le reazioni, sulla base di calcoli fondamentali su come le sostanze chimiche potrebbero interagire con la superficie catalitica.

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"}]"> I catalizzatori in lega, scoperti alla Tufts University e segnalati per la prima volta su Science nel 2012, disperdono singoli atomi di metallo reattivo in una superficie catalitica più inerte, ad una densità di circa 1 atomo reattivo su 100 atomi inerti. Ciò consente un'interazione ben definita tra un singolo atomo catalitico e la sostanza chimica in lavorazione senza essere aggravata da interazioni estranee con altri metalli reattivi nelle vicinanze. Le reazioni catalizzate da leghe a singolo atomo tendono ad essere pulite ed efficienti e, come dimostrato nel presente studio, sono ora prevedibili con metodi teorici.

"Abbiamo adottato un nuovo approccio al problema utilizzando i calcoli dei principi primi eseguiti su supercomputer con i nostri collaboratori dell'University College di Londra e dell'Università di Cambridge, che ci hanno permesso di prevedere quale sarebbe stato il miglior catalizzatore per convertire il propano in propilene", ha affermato Charles Sykes, il professore John Wade presso il Dipartimento di Chimica della Tufts University e autore corrispondente dello studio.