Los científicos ahora pueden diseñar catalizadores de un solo átomo para reacciones químicas importantes

Por Universidad de Tufts29 de junio de 2021

Representación artística del proceso de deshidrogenación de propano que tiene lugar en el nuevo catalizador de aleación de un solo átomo, como lo predice la teoría. La imagen muestra el estado de transición obtenido a partir de un cálculo de química cuántica en un superordenador, es decir, la configuración molecular de energía máxima a lo largo del camino de reacción. Crédito: Charles Sykes y Michail Stamatakis

Utilizando cálculos fundamentales de interacciones moleculares, crearon un catalizador con una selectividad del 100 % para producir propileno, un precursor clave para la fabricación de plásticos y tejidos.

Investigadores de la Universidad de Tufts, el University College de Londres (UCL), la Universidad de Cambridge y la Universidad de California en Santa Bárbara han demostrado que un catalizador puede ser, de hecho, un agente de cambio. En un estudio publicado hoy en Science, utilizaron simulaciones químicas cuánticas ejecutadas en supercomputadoras para predecir una nueva arquitectura de catalizador, así como sus interacciones con ciertas sustancias químicas, y demostraron en la práctica su capacidad para producir propileno, actualmente escaso, que se necesita con urgencia. en la fabricación de plásticos, tejidos y otros productos químicos. Las mejoras tienen potencial para lograr una química altamente eficiente y “más ecológica” con una menor huella 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 y etileno, su producción implica el tercer proceso de conversión más grande de la industria química por escala. El método más común para producir propileno y etileno es el craqueo con vapor, que tiene un rendimiento limitado al 85% y es uno de los procesos que consume más energía en la industria química. Las materias primas tradicionales para producir 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 del propano que se encuentra en el gas de esquisto están formados por combinaciones de metales que pueden tener una estructura aleatoria y compleja a nivel atómico. Los átomos reactivos suelen estar agrupados de muchas maneras diferentes, lo que dificulta el diseño de nuevos catalizadores para reacciones, basándose en cálculos fundamentales sobre cómo las sustancias químicas podrían interactuar con la superficie 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"}]"> Los catalizadores de aleación, descubiertos en la Universidad de Tufts y reportados por primera vez en Science en 2012, dispersan átomos metálicos reactivos individuales en una superficie de catalizador más inerte, a una densidad de aproximadamente 1 átomo reactivo por cada 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 demuestra en el estudio actual, ahora son predecibles mediante métodos teóricos.

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

Estos cálculos que condujeron a predicciones de reactividad en la superficie del catalizador fueron confirmados mediante 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 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 correspondiente del estudio. “Los catalizadores de un solo átomo nos permiten calcular desde los primeros principios cómo interactúan las moléculas y los átomos 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 disponemos de un nuevo método para el diseño racional de catalizadores”.

El catalizador de Rh de un solo átomo fue altamente eficiente, con una producción selectiva del 100 % del producto propileno, en comparación con el 90 % de los catalizadores industriales actuales de producción de propileno, donde la selectividad se refiere a la proporción de reacciones en la superficie que conducen al producto deseado. "Ese nivel de eficiencia podría generar grandes ahorros de costos y evitar la emisión de millones de toneladas de dióxido de carbono a la atmósfera si la industria lo adopta", dijo Sykes.

Los catalizadores de aleación de un solo átomo no solo son más eficientes, sino que 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 y requieren sólo una pequeña fracción de metales preciosos como platino o rodio, que pueden resultar muy caros. Por ejemplo, el precio del rodio ronda actualmente los 22.000 dólares la onza, mientras que el cobre, que constituye el 99% del catalizador, cuesta sólo 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 intermediarios con alto contenido de carbono (básicamente, hollín) se acumulan en la superficie del catalizador y comienzan a inhibir las reacciones deseadas. Estas mejoras son una receta para una química “más ecológica” con una menor huella de carbono.

"Este trabajo demuestra aún más el gran potencial de los catalizadores de aleación de un solo átomo para abordar las ineficiencias en la industria de los catalizadores, lo que a su vez tiene grandes beneficios económicos y ambientales", dijo Sykes.

Referencia: “Diseño de primeros principios de un catalizador de deshidrogenación de propano de aleación de un solo átomo” por Ryan T. Hannagan, Georgios Giannakakis, Romain Réocreux, Julia Schumann, Jordan Finzel, Yicheng Wang, Angelos Michaelides, Prashant Deshlahra, Phillip Christopher, Maria Flytzani -Stephanopoulos, Michael Stamatakis y E. Charles H. Sykes, 25 de junio de 2021, Science.DOI:10.1126/science.abg8