Wissenschaftler können jetzt Einzelatomkatalysatoren für wichtige chemische Reaktionen entwickeln

Von Tufts University, 29. Juni 2021

Künstlerische Darstellung des Propan-Dehydrierungsprozesses, der auf dem neuartigen Einzelatom-Legierungskatalysator stattfindet, wie von der Theorie vorhergesagt. Das Bild zeigt den aus einer quantenchemischen Berechnung auf einem Supercomputer ermittelten Übergangszustand, also die molekulare Konfiguration maximaler Energie entlang des Reaktionspfades. Bildnachweis: Charles Sykes und Michail Stamatakis

Mithilfe grundlegender Berechnungen molekularer Wechselwirkungen schufen sie einen Katalysator mit 100-prozentiger Selektivität bei der Herstellung von Propylen, einem wichtigen Vorläufer für die Kunststoff- und Stoffherstellung.

Forscher der Tufts University, des University College London (UCL), der Cambridge University und der University of California in Santa Barbara haben gezeigt, dass ein Katalysator tatsächlich ein Auslöser für Veränderungen sein kann. In einer heute in Science veröffentlichten Studie verwendeten sie auf Supercomputern durchgeführte quantenchemische Simulationen, um eine neue Katalysatorarchitektur sowie ihre Wechselwirkungen mit bestimmten Chemikalien vorherzusagen, und demonstrierten in der Praxis ihre Fähigkeit, das dringend benötigte Propylen zu produzieren – das derzeit knapp ist bei der Herstellung von Kunststoffen, Stoffen und anderen Chemikalien. Die Verbesserungen bieten das Potenzial für eine hocheffiziente, „grünere“ Chemie mit einem geringeren CO2-Fußabdruck.

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"}]"> Bei der Herstellung von Säure und Ethylen handelt es sich um den drittgrößten Umwandlungsprozess in der chemischen Industrie. Das gebräuchlichste Verfahren zur Herstellung von Propylen und Ethylen ist das Dampfcracken, dessen Ausbeute auf 85 % begrenzt ist und eines der energieintensivsten Verfahren in der chemischen Industrie ist. Die traditionellen Rohstoffe für die Herstellung von Propylen sind Nebenprodukte aus Öl- und Gasbetrieben, aber die Umstellung auf Schiefergas hat seine Produktion eingeschränkt.

Typische Katalysatoren, die bei der Herstellung von Propylen aus Propan aus Schiefergas verwendet werden, bestehen aus Kombinationen von Metallen, die auf atomarer Ebene eine zufällige, komplexe Struktur aufweisen können. Die reaktiven Atome sind in der Regel auf viele verschiedene Arten gruppiert, was es schwierig macht, neue Katalysatoren für Reaktionen zu entwickeln, die auf grundlegenden Berechnungen darüber basieren, wie die Chemikalien mit der katalytischen Oberfläche interagieren könnten.

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"}]"> Legierungskatalysatoren, die an der Tufts University entdeckt und erstmals 2012 in Science beschrieben wurden, verteilen einzelne reaktive Metallatome in einer inerteren Katalysatoroberfläche mit einer Dichte von etwa 1 reaktivem Atom zu 100 inerten Atomen. Dies ermöglicht eine genau definierte Wechselwirkung zwischen einem einzelnen katalytischen Atom und der zu verarbeitenden Chemikalie, ohne dass diese durch äußere Wechselwirkungen mit anderen reaktiven Metallen in der Nähe verstärkt wird. Durch Einzelatomlegierungen katalysierte Reaktionen verlaufen in der Regel sauber und effizient und sind, wie in der aktuellen Studie gezeigt, jetzt mit theoretischen Methoden vorhersagbar.

„Wir haben einen neuen Ansatz zur Lösung des Problems gewählt, indem wir mit unseren Mitarbeitern am University College London und der Cambridge University auf Supercomputern durchgeführte First-Prinzipien-Berechnungen verwendeten, die es uns ermöglichten, vorherzusagen, welcher Katalysator für die Umwandlung von Propan in Propylen am besten geeignet wäre“, sagte Charles Sykes, der John Wade Professor am Department of Chemistry der Tufts University und korrespondierender Autor der Studie.

Diese Berechnungen, die zu Vorhersagen der Reaktivität auf der Katalysatoroberfläche führten, wurden durch Bildgebung im atomaren Maßstab und an Modellkatalysatoren durchgeführte Reaktionen bestätigt. Anschließend synthetisierten die Forscher Nanopartikelkatalysatoren aus Einzelatomlegierungen und testeten sie unter industriell relevanten Bedingungen. Bei dieser speziellen Anwendung eigneten sich auf einer Kupferoberfläche (Cu) verteilte Rhodiumatome (Rh) am besten zur Dehydrierung von Propan zur Herstellung von Propylen.

„Die Verbesserung häufig verwendeter heterogener Katalysatoren war größtenteils ein Versuch-und-Irrtum-Prozess“, sagte Michail Stamatakis, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen am UCL und Mitautor der Studie. „Die Einzelatomkatalysatoren ermöglichen es uns, nach Grundprinzipien zu berechnen, wie Moleküle und Atome an der katalytischen Oberfläche miteinander interagieren, und so die Reaktionsergebnisse vorherzusagen. In diesem Fall haben wir vorhergesagt, dass Rhodium sehr effektiv Wasserstoff aus Molekülen wie Methan und Propan herausziehen würde – eine Vorhersage, die im Widerspruch zur allgemeinen Meinung stand, sich aber dennoch in der Praxis als unglaublich erfolgreich erwies. Wir haben jetzt eine neue Methode für das rationale Design von Katalysatoren.“

Der Einzelatom-Rh-Katalysator war mit einer 100 % selektiven Produktion des Produkts Propylen hocheffizient, verglichen mit 90 % bei aktuellen industriellen Katalysatoren für die Propylenproduktion, wobei sich Selektivität auf den Anteil der Reaktionen an der Oberfläche bezieht, die zum gewünschten Produkt führen. „Dieses Maß an Effizienz könnte zu großen Kosteneinsparungen führen und dazu führen, dass Millionen Tonnen Kohlendioxid nicht in die Atmosphäre emittiert werden, wenn es von der Industrie übernommen wird“, sagte Sykes.

Die Einzelatom-Legierungskatalysatoren sind nicht nur effizienter, sondern neigen auch dazu, Reaktionen unter milderen Bedingungen und niedrigeren Temperaturen durchzuführen und erfordern daher weniger Energie als herkömmliche Katalysatoren. Ihre Herstellung kann kostengünstiger sein, da nur ein kleiner Anteil an Edelmetallen wie Platin oder Rhodium erforderlich ist, was sehr teuer sein kann. Beispielsweise liegt der Preis für Rhodium derzeit bei etwa 22.000 US-Dollar pro Unze, während Kupfer, das 99 % des Katalysators ausmacht, nur 30 Cent pro Unze kostet. Die neuen Rhodium/Kupfer-Einzelatomlegierungskatalysatoren sind außerdem beständig gegen Verkokung – ein allgegenwärtiges Problem bei industriellen katalytischen Reaktionen, bei denen sich Zwischenprodukte mit hohem Kohlenstoffgehalt – im Wesentlichen Ruß – auf der Oberfläche des Katalysators ansammeln und die gewünschten Reaktionen zu hemmen beginnen. Diese Verbesserungen sind ein Rezept für eine „grünere“ Chemie mit einem geringeren CO2-Fußabdruck.

„Diese Arbeit zeigt einmal mehr das große Potenzial von Einzelatomlegierungskatalysatoren zur Behebung von Ineffizienzen in der Katalysatorindustrie, was wiederum sehr große wirtschaftliche und ökologische Vorteile mit sich bringt“, sagte Sykes.

Referenz: „Grundprinzipien des Entwurfs eines Einzelatom-Legierungs-Propan-Dehydrierungskatalysators“ von Ryan T. Hannagan, Georgios Giannakakis, Romain Réocreux, Julia Schumann, Jordan Finzel, Yicheng Wang, Angelos Michaelides, Prashant Deshlahra, Phillip Christopher, Maria Flytzani -Stephanopoulos, Michael Stamatakis und E. Charles H. Sykes, 25. Juni 2021, Science.DOI:10.1126/science.abg8