科学者は重要な化学反応用の単一原子触媒を設計できるようになりました

タフツ大学2021年6月29日

理論によって予測された、新しい単一原子合金触媒上で起こるプロパン脱水素化プロセスの芸術的レンダリング。 この写真は、スーパーコンピューターでの量子化学計算から得られた遷移状態、つまり反応経路に沿った最大エネルギーの分子配置を示しています。 クレジット: チャールズ・サイクス & マイケル・スタマタキス

彼らは、分子相互作用の基本的な計算を使用して、プラスチックおよび布地製造の重要な前駆体であるプロピレンの製造において 100% の選択性を備えた触媒を作成しました。

タフツ大学、ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジ（UCL）、ケンブリッジ大学、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の研究者らは、触媒が確かに変化の要因となり得ることを実証した。 本日サイエンス誌に掲載された研究では、スーパーコンピューター上で実行される量子化学シミュレーションを使用して、新しい触媒構造とその特定の化学物質との相互作用を予測し、現在非常に必要とされているプロピレン（現在供給不足）を生産する能力を実際に実証しました。プラスチック、布地、その他の化学品の製造。 この改善により、二酸化炭素排出量が低く、高効率で「より環境に優しい」化学が可能になる可能性があります。

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"}]">酸とエチレンの生産には、化学業界で 3 番目に規模の大きい変換プロセスが含まれます。 プロピレンとエチレンを製造する最も一般的な方法は水蒸気分解ですが、その収率は 85% に制限されており、化学産業で最もエネルギーを消費するプロセスの 1 つです。 プロピレン製造のための従来の原料は石油とガスの事業からの副産物ですが、シェールガスへの移行によりその生産は制限されています。

シェールガスに含まれるプロパンからプロピレンを製造する際に使用される典型的な触媒は、原子レベルでランダムで複雑な構造を持つ可能性がある金属の組み合わせで構成されています。 反応性原子は通常、さまざまな方法でクラスター化されているため、化学物質が触媒表面とどのように相互作用するかについての基本的な計算に基づいて、反応用の新しい触媒を設計することが困難になります。

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"}]">タフツ大学で発見され、2012 年に Science 誌に初めて報告された合金触媒は、単一の反応性金属原子をより不活性な触媒表面に、約 1 個の反応性原子対 100 個の不活性原子の密度で分散させます。 これにより、近くにある他の反応性金属との無関係な相互作用によって悪化することなく、単一の触媒原子と処理される化学物質との間の明確な相互作用が可能になります。 単一原子合金によって触媒される反応はクリーンで効率的である傾向があり、今回の研究で実証されているように、現在では理論的手法によって予測可能です。

「私たちは、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンとケンブリッジ大学の共同研究者とスーパーコンピューター上で実行される第一原理計算を使用することで、この問題に対して新しいアプローチを採用しました。これにより、プロパンをプロピレンに変換するのに最適な触媒が何であるかを予測することができました」とチャールズ・サイクス氏は述べています。タフツ大学化学科のジョン・ウェイド教授であり、この研究の責任著者。