Ricercatori della Tufts University, University College di Londra (UCL), L'Università di Cambridge e l'Università della California a Santa Barbara hanno dimostrato che un catalizzatore può effettivamente essere un agente di cambiamento. In uno studio pubblicato oggi in Scienza , hanno usato simulazioni chimiche quantistiche eseguite su supercomputer per prevedere una nuova architettura di catalizzatori e le sue interazioni con determinate sostanze chimiche, e ha dimostrato in pratica la sua capacità di produrre propilene, attualmente scarso, indispensabile nella produzione di materie plastiche, tessuti e altri prodotti chimici. I miglioramenti hanno il potenziale per un'elevata efficienza, chimica "più verde" con una minore impronta di carbonio.

La domanda di propilene è di circa 100 milioni di tonnellate all'anno (per un valore di circa $ 200 miliardi), e semplicemente non c'è abbastanza disponibilità in questo momento per soddisfare la crescente domanda. Accanto all'acido solforico e all'etilene, la sua produzione comporta il terzo più grande processo di conversione nell'industria chimica per scala. Il metodo più comune per la produzione di propilene ed etilene è il cracking con vapore, che ha una resa limitata all'85% ed è uno dei processi più energivori dell'industria chimica. Le materie prime tradizionali per la produzione di propilene sono i sottoprodotti delle operazioni petrolifere e del gas, ma il passaggio allo shale gas ne ha limitato la produzione.

I catalizzatori tipici utilizzati nella produzione di propilene dal propano presente nel gas di scisto sono costituiti da combinazioni di metalli che possono avere un andamento casuale, struttura 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.

Al contrario, catalizzatori in lega a singolo atomo, scoperto alla Tufts University e segnalato per la prima volta in Scienza nel 2012, disperdere singoli atomi di metallo reattivo in una superficie di catalizzatore 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, ora sono prevedibili con metodi teorici.

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

Questi calcoli che hanno portato a previsioni di reattività sulla superficie del catalizzatore sono stati confermati da immagini su scala atomica e reazioni eseguite su catalizzatori modello. I ricercatori hanno quindi sintetizzato catalizzatori di nanoparticelle in lega a singolo atomo e li hanno testati in condizioni rilevanti a livello industriale. In questa particolare applicazione, Gli atomi di rodio (Rh) dispersi su una superficie di rame (Cu) funzionavano meglio per deidrogenare il propano per produrre propilene.

"Il miglioramento dei catalizzatori eterogenei comunemente usati è stato principalmente un processo per tentativi ed errori, "ha detto Michail Stamatakis, professore associato di ingegneria chimica presso l'UCL e co-autore dello studio. "I catalizzatori a singolo atomo ci permettono di calcolare dai primi principi come le molecole e gli atomi interagiscono tra loro sulla superficie catalitica, prevedendo così gli esiti della reazione. In questo caso, avevamo previsto che il rodio sarebbe stato molto efficace nell'estrarre l'idrogeno da molecole come metano e propano, una previsione che andava contro la saggezza comune, ma che tuttavia si è rivelata incredibilmente efficace quando messa in pratica. Ora abbiamo un nuovo metodo per la progettazione razionale dei catalizzatori".

Il catalizzatore Rh a singolo atomo era altamente efficiente, con la produzione selettiva al 100% del prodotto propilene, rispetto al 90% per gli attuali catalizzatori di produzione industriale di propilene, dove la selettività si riferisce alla proporzione di reazioni alla superficie che porta al prodotto desiderato. "Quel livello di efficienza potrebbe portare a grandi risparmi sui costi e a milioni di tonnellate di anidride carbonica non emesse nell'atmosfera se adottato dall'industria, " ha detto Sykes.

Non solo i catalizzatori in lega a singolo atomo sono più efficienti, ma tendono anche a condurre reazioni in condizioni più miti e temperature più basse e quindi richiedono meno energia per funzionare rispetto ai catalizzatori convenzionali. Possono essere più economici da produrre, richiedendo solo una piccola frazione di metalli preziosi come platino o rodio, che può essere molto costoso. Per esempio, il prezzo del rodio è attualmente di circa $22, 000 per oncia, mentre il rame, che comprende il 99% del catalizzatore, costa solo 30 centesimi l'oncia. The new rhodium/copper single-atom alloy catalysts are also resistant to coking—a ubiquitous problem in industrial catalytic reactions in which high carbon content intermediates—basically, soot—build up on the surface of the catalyst and begin inhibiting the desired reactions. These improvements are a recipe for "greener" chemistry with a lower carbon footprint.

"This work further demonstrates the great potential of single-atom alloy catalysts for addressing inefficiencies in the catalyst industry, which in turn has very large economic and environmental payoffs, " said Sykes.