作者亚速姆2021年6月25日
最新研究塔夫斯大学，伦敦大学学院（UCL）、剑桥大学和加州大学圣芭芭拉分校已经证明，催化剂无疑是变革的动因。
理论预测了丙烷脱氢过程在新型单铑原子合金催化剂上的艺术表现。图片来源：查尔斯·赛克斯和米切尔·斯塔马塔基斯。
利用在超级计算机上运行的量子化学模拟，研究人员预测了一种新的催化剂设计以及这种设计与特定化学物质的相互作用。他们还表明，在实践中，这种结构的能力，以创造丙烯-目前供不应求-这是至关重要的需要生产织物，塑料和其他种类的化学品。这项研究最近发表在《华尔街日报》上欧洲杯线上买球日记。
这些改进可能会带来“更环保、更高效、碳足迹更低的化学反应”。
每年对丙烯的需求约为1亿吨（价值约2000亿美元），但目前还没有足够的丙烯来满足不断增长的需求。丙烯的生产规模仅次于乙烯和硫酸，是化工行业第三大的转化工艺。
蒸汽裂解是生产乙烯和丙烯最常用的技术。然而，这种方法的产率有限，仅为85%，也是化工行业中能耗最高的工序之一。用于生产丙烯的标准原料实际上是石油和天然气作业产生的副产品，但向页岩气的迁移限制了其生产。
从页岩气中发现的丙烷生产丙烯所用的一般催化剂是由金属混合物组成的。这些金属在原子水平上具有复杂的、随机的结构。
此外，活性原子通常以几种不同的方式结合在一起。这使得基于化学物质与催化剂表面潜在相互作用的潜在计算来开发新的反应催化剂变得困难。
另一方面，在塔夫斯大学鉴定出的单原子合金催化剂并在欧洲杯线上买球2012年的期刊可以将单个活性金属原子分布在催化剂更惰性的表面，密度约为1个活性原子到100个惰性原子。
这使得被处理的化学物质和单个催化原子之间的相互作用得到了很好的定义，而不会与附近的其他活性金属发生多余的相互作用。
由单原子合金催化的反应是高效和清洁的，如新的研究工作所示，它们现在可以通过理论技术进行预测。
我们在伦敦大学学院和剑桥大学使用我们的合作者在超级计算机上运行的第一原理计算了一个新的方法，这使我们能够预测将丙烷转化为丙烯的最佳催化剂是什么。.
Charles Sykes，塔夫斯大学伦敦大学化学系研究生兼教授John Wade教授
这些计算结果预测了催化剂表面的反应性，并通过原子尺度成像和模型催化剂上的反应进行了验证。该团队随后生产了单原子合金纳米颗粒催化剂，并在工业相关条件下对其进行了评估。
然而，在这种特殊的应用中，分散在铜（Cu）表面的铑（Rh）原子以最佳方式使丙烷脱氢生成丙烯。
常用多相催化剂的改进大多是一个反复试验的过程。单原子催化剂使我们能够根据第一性原理计算分子和原子在催化表面如何相互作用,从而预测反应结果.
Michail Stamatakis，伦敦大学学院化学工程研究所副所长兼副教授
斯塔马塔基斯继续说在这种情况下，我们预测铑在从甲烷和丙烷等分子中提取氢方面非常有效——这一预测违背了常理，但在实际应用中却取得了难以置信的成功。我们现在有了一种合理设计催化剂的新方法.”
在该分析中，发现单原子铑催化剂具有极高的效率，完全选择性地生产丙烯，而现有工业丙烯生产催化剂的选择性为90%，其中选择性是指在催化表面产生首选产品的反应次数。
如果工业界采用这一技术，那么这样的效率水平将大大节约成本，数百万吨二氧化碳不会排放到大气中.
Charles Sykes，塔夫斯大学伦敦大学化学系研究生兼教授John Wade教授
单原子合金催化剂除了效率更高之外，还可以在较低的温度和较温和的条件下进行反应，因此比传统催化剂所需的运行能量更少。单原子合金催化剂也可以更经济地生产，只需要少量贵金属，如铑或铂，这可能是成本高昂。
例如，目前铑的成本约为每盎司22000美元，而含99%催化剂的铜每盎司仅需30美分。新型铑/铜单原子合金催化剂也不受结焦的影响，结焦是工业催化反应中普遍存在的问题，其中高碳含量的中间产物（基本上是烟尘）在催化剂表面积聚，并开始抑制所需的反应。这样的增强可以作为一种“绿色”化学的配方，同时降低碳足迹。
“这项工作进一步证明了单原子合金催化剂在解决催化剂工业中的低效问题方面的巨大潜力，这反过来又具有非常大的经济效益和环境效益”赛克斯总结道。
期刊参考号：
汉纳根，右。T等. (2021）单原子合金丙烷脱氢催化剂的第一性原理设计. 欧洲杯线上买球科学类.doi.org/10.1126/欧洲杯线上买球science.abg8389.
资料来源：https://www.tufts.edu/