Les scientifiques peuvent désormais concevoir des catalyseurs à atome unique pour des réactions chimiques importantes

Par Université Tufts29 juin 2021

Rendu artistique du processus de déshydrogénation du propane se déroulant sur le nouveau catalyseur en alliage à atome unique, comme le prédit la théorie. L'image montre l'état de transition obtenu à partir d'un calcul de chimie quantique sur un superordinateur, c'est-à-dire la configuration moléculaire de l'énergie maximale le long du chemin de réaction. Crédit : Charles Sykes et Michail Stamatakis

À l’aide de calculs fondamentaux d’interactions moléculaires, ils ont créé un catalyseur avec une sélectivité de 100 % dans la production de propylène, un précurseur clé dans la fabrication des plastiques et des tissus.

Des chercheurs de l’Université Tufts, de l’University College London (UCL), de l’Université de Cambridge et de l’Université de Californie à Santa Barbara ont démontré qu’un catalyseur peut effectivement être un agent de changement. Dans une étude publiée aujourd'hui dans Science, ils ont utilisé des simulations de chimie quantique exécutées sur des superordinateurs pour prédire une nouvelle architecture de catalyseur ainsi que ses interactions avec certains produits chimiques, et ont démontré en pratique sa capacité à produire du propylène – actuellement en pénurie – qui est absolument nécessaire. dans la fabrication de plastiques, de tissus et d'autres produits chimiques. Ces améliorations offrent le potentiel d’une chimie très efficace et « plus verte » avec une empreinte carbone plus faible.

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"}]"> acide et éthylène, sa production implique le troisième plus grand processus de conversion de l'industrie chimique en termes d'échelle. La méthode la plus courante pour produire du propylène et de l'éthylène est le vapocraquage, dont le rendement est limité à 85 % et qui constitue l'un des procédés les plus énergivores de l'industrie chimique. Les matières premières traditionnelles pour la production de propylène sont des sous-produits des opérations pétrolières et gazières, mais le passage au gaz de schiste a limité sa production.

Les catalyseurs typiques utilisés dans la production de propylène à partir du propane présent dans le gaz de schiste sont constitués de combinaisons de métaux pouvant avoir une structure aléatoire et complexe au niveau atomique. Les atomes réactifs sont généralement regroupés de différentes manières, ce qui rend difficile la conception de nouveaux catalyseurs de réactions, basés sur des calculs fondamentaux sur la manière dont les produits chimiques pourraient interagir avec la surface catalytique.

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"}]"> Les catalyseurs en alliage, découverts à l'Université Tufts et rapportés pour la première fois dans Science en 2012, dispersent des atomes métalliques réactifs uniques dans une surface de catalyseur plus inerte, à une densité d'environ 1 atome réactif pour 100 atomes inertes. Cela permet une interaction bien définie entre un seul atome catalytique et le produit chimique traité sans être aggravée par des interactions étrangères avec d'autres métaux réactifs à proximité. Les réactions catalysées par des alliages à un seul atome ont tendance à être propres et efficaces et, comme le démontre la présente étude, elles sont désormais prévisibles par des méthodes théoriques.

"Nous avons adopté une nouvelle approche du problème en utilisant des calculs de principes fondamentaux exécutés sur des superordinateurs avec nos collaborateurs de l'University College London et de l'Université de Cambridge, ce qui nous a permis de prédire quel serait le meilleur catalyseur pour convertir le propane en propylène", a déclaré Charles Sykes, le professeur John Wade au département de chimie de l'université Tufts et auteur correspondant de l'étude.