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 ciencia , utilizaron simulaciones químicas cuánticas ejecutadas en supercomputadoras para predecir una nueva arquitectura de catalizador, así como sus interacciones con ciertos productos químicos, y demostraron en la práctica su capacidad para producir propileno, actualmente escaso, que se necesita críticamente en la fabricación.de plásticos, telas y otros productos químicos. Las mejoras tienen potencial para una química altamente eficiente, "más ecológica" con una menor huella de carbono.
La demanda de propileno es de aproximadamente 100 millones de toneladas métricas por año con un valor de aproximadamente $ 200 mil millones, y simplemente no hay suficiente disponible en este momento para satisfacer la creciente demanda. Después del ácido sulfúrico y el etileno, su producción implica la tercera conversión más grandeproceso 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 de mayor consumo energético en la industria química. Las materias primas tradicionales para la producción de propileno sonsubproductos 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 de combinaciones de metales que pueden tener una estructura compleja y aleatoria a nivel atómico. Los átomos reactivos generalmente se agrupan de muchas maneras diferentes, lo que dificultapara diseñar nuevos catalizadores para reacciones, basados en cálculos fundamentales sobre cómo los químicos podrían interactuar con la superficie catalítica.
Por el contrario, los catalizadores de aleación de un solo átomo, descubiertos en la Universidad de Tufts y reportados por primera vez en ciencia 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 compongapor 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 al 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 se confirmaron 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 UCL y coautor correspondiente del estudio. "Los catalizadores de un solo átomo nos permitencalcular a partir de 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 desabiduría común, pero sin embargo resultó ser increíblemente exitoso cuando se puso en práctica. Ahora tenemos un nuevo método para el diseño racional de catalizadores ".
El catalizador Rh de un solo átomo fue altamente eficiente, con una producción selectiva del 100% del propileno del producto, 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 un gran ahorro de costos y a que millones de toneladas de dióxido de carbono no se emitan 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.metales preciosos como el platino o el rodio, que pueden ser muy caros. Por ejemplo, el precio del rodio actualmente ronda los 22.000 dólares la onza, mientras que el cobre, que comprende el 99% del catalizador, cuesta solo 30 centavos la onza. El nuevo rodio / cobreLos catalizadores de aleación de un solo átomo también son resistentes a la coquización, un problema omnipresente en las reacciones catalíticas industriales en las que los intermedios con alto contenido de carbono, básicamente hollín, se acumulan en la superficie del catalizador y comienzan a inhibir las reacciones deseadas. Estas mejoras sonuna receta para una química "más verde" 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, que a su vez tiene grandes beneficios económicos y ambientales", dijo Sykes.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Tufts . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :