과학자들은 이제 중요한 화학 반응을 위한 단일 원자 촉매를 설계할 수 있습니다.

Tufts University 작성2021년 6월 29일

이론에 의해 예측된 새로운 단일 원자 합금 촉매에서 발생하는 프로판 탈수소화 공정의 예술적 렌더링. 그림은 슈퍼컴퓨터의 양자 화학 계산에서 얻은 전이 상태, 즉 반응 경로를 따라 최대 에너지의 분자 구성을 보여줍니다. 크레딧: Charles Sykes 및 Michail Stamatakis

분자 상호 작용에 대한 기본적인 계산을 사용하여 플라스틱 및 직물 제조의 핵심 전구체인 프로필렌 생산에 100% 선택성을 갖는 촉매를 만들었습니다.

Tufts University, University College London(UCL), Cambridge University 및 University of California at Santa Barbara의 연구원들은 촉매제가 실제로 변화의 원동력이 될 수 있음을 입증했습니다. 오늘 사이언스(Science)에 발표된 연구에서 그들은 슈퍼컴퓨터에서 실행되는 양자 화학 시뮬레이션을 사용하여 새로운 촉매 구조와 특정 화학 물질과의 상호 작용을 예측하고 실제로 매우 필요한 프로필렌(현재 공급 부족)을 생산하는 능력을 보여주었습니다. 플라스틱, 직물 및 기타 화학 물질 제조에 사용됩니다. 개선 사항은 탄소 배출량이 적고 효율성이 높은 "친환경" 화학을 개발할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

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"}]"> 산과 에틸렌을 생산하는 데 규모 면에서 화학 산업에서 세 번째로 큰 전환 공정이 필요합니다. 프로필렌과 에틸렌을 생산하는 가장 일반적인 방법은 증기 분해로 수율이 85%로 제한되며 화학 산업에서 가장 에너지 집약적인 공정 중 하나입니다. 프로필렌을 생산하기 위한 전통적인 공급원료는 석유 및 가스 운영의 부산물이지만 셰일 가스로의 전환으로 인해 생산량이 제한되었습니다.

셰일 가스에서 발견되는 프로판으로부터 프로필렌을 생산하는 데 사용되는 일반적인 촉매는 원자 수준에서 무작위적이고 복잡한 구조를 가질 수 있는 금속 조합으로 구성됩니다. 반응성 원자는 일반적으로 다양한 방식으로 함께 모여 있어 화학 물질이 촉매 표면과 어떻게 상호 작용할 수 있는지에 대한 기본적인 계산을 기반으로 반응을 위한 새로운 촉매를 설계하기가 어렵습니다.

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"}]"> Tufts University에서 발견되고 2012년 Science에 처음 보고된 합금 촉매는 약 1개의 반응성 원자에서 100개의 불활성 원자의 밀도로 보다 불활성인 촉매 표면에 단일 반응성 금속 원자를 분산시킵니다. 이는 근처의 다른 반응성 금속과의 외부 상호 작용에 의해 혼합되지 않고 단일 촉매 원자와 처리되는 화학 물질 사이의 잘 정의된 상호 작용을 가능하게 합니다. 단일 원자 합금에 의해 촉매되는 반응은 깨끗하고 효율적인 경향이 있으며, 현재 연구에서 입증된 것처럼 이제 이론적인 방법으로 예측할 수 있습니다.

Charles Sykes는 “우리는 University College London 및 Cambridge University의 협력자들과 함께 슈퍼컴퓨터에서 실행되는 첫 번째 원리 계산을 사용하여 문제에 대한 새로운 접근 방식을 취했습니다. 이를 통해 프로판을 프로필렌으로 전환하는 데 가장 좋은 촉매제가 무엇인지 예측할 수 있었습니다.”라고 말했습니다. Tufts University 화학과의 John Wade 교수이자 해당 연구의 교신저자입니다.