p Pesquisadores da Tufts University, University College London (UCL), A Universidade de Cambridge e a Universidade da Califórnia em Santa Bárbara demonstraram que um catalisador pode de fato ser um agente de mudança. Em um estudo publicado hoje em Ciência , eles usaram simulações químicas quânticas executadas em supercomputadores para prever uma nova arquitetura de catalisador, bem como suas interações com certos produtos químicos, e demonstrou na prática sua capacidade de produzir propeno - atualmente em falta - que é extremamente necessário na fabricação de plásticos, tecidos e outros produtos químicos. As melhorias têm potencial de alta eficiência, química "mais verde" com uma pegada de carbono mais baixa. p A demanda por propeno é de cerca de 100 milhões de toneladas métricas por ano (no valor de cerca de US $ 200 bilhões), e simplesmente não há disponibilidade suficiente no momento para atender à demanda crescente. Ao lado do ácido sulfúrico e etileno, sua produção envolve o terceiro maior processo de conversão em escala da indústria química. O método mais comum para a produção de propileno e etileno é o craqueamento a vapor, que tem rendimento limitado a 85% e é um dos processos mais intensivos em energia da indústria química. As matérias-primas tradicionais para a produção de propeno são subprodutos das operações de petróleo e gás, mas a mudança para o gás de xisto limitou sua produção.

p Os catalisadores típicos usados ​​na produção de propileno a partir do propano encontrado no gás de xisto são feitos de combinações de metais que podem ter uma forma aleatória, estrutura complexa no nível atômico. Os átomos reativos são geralmente agrupados de muitas maneiras diferentes, tornando difícil projetar novos catalisadores para reações, com base em cálculos fundamentais sobre como os produtos químicos podem interagir com a superfície catalítica.

p Por contraste, catalisadores de liga de átomo único, descoberto na Tufts University e relatado pela primeira vez em Ciência em 2012, dispersar átomos de metal reativos únicos em uma superfície de catalisador mais inerte, a uma densidade de cerca de 1 átomo reativo a 100 átomos inertes. Isso permite uma interação bem definida entre um único átomo catalítico e o produto químico que está sendo processado sem ser composto por interações estranhas com outros metais reativos próximos. As reações catalisadas por ligas de átomo único tendem a ser limpas e eficientes, e, conforme demonstrado no estudo atual, eles agora são previsíveis por métodos teóricos.

p "Adotamos uma nova abordagem para o problema usando cálculos de primeiros princípios executados em supercomputadores com nossos colaboradores na University College London e na Cambridge University, o que nos permitiu prever qual seria o melhor catalisador para a conversão de propano em propileno, "disse Charles Sykes, o professor John Wade do Departamento de Química da Tufts University e autor correspondente do estudo.

p Esses cálculos que levaram a previsões de reatividade na superfície do catalisador foram confirmados por imagens em escala atômica e reações executadas em catalisadores modelo. Os pesquisadores então sintetizaram catalisadores de nanopartículas de liga de átomo único e os testaram em condições industrialmente relevantes. Neste aplicativo específico, átomos de ródio (Rh) dispersos em uma superfície de cobre (Cu) funcionaram melhor para desidrogenar o propano para fazer propileno.

p "A melhoria dos catalisadores heterogêneos comumente usados ​​tem sido principalmente um processo de tentativa e erro, "disse Michail Stamatakis, professor associado de engenharia química na UCL e co-autor correspondente do estudo. "Os catalisadores de átomo único nos permitem calcular a partir dos primeiros princípios como as moléculas e os átomos interagem entre si na superfície catalítica, predizendo assim os resultados da reação. Nesse caso, previmos que o ródio seria muito eficaz para retirar os hidrogênios de moléculas como o metano e o propano - uma previsão que ia contra a sabedoria comum, mas acabou tendo um sucesso incrível quando posta em prática. Agora temos um novo método para o design racional de catalisadores. "

p O catalisador de Rh de átomo único foi altamente eficiente, com produção 100% seletiva do produto propeno, em comparação com 90% para os atuais catalisadores de produção de propileno industrial, onde seletividade se refere à proporção de reações na superfície que leva ao produto desejado. "Esse nível de eficiência pode levar a grandes economias de custo e milhões de toneladas de dióxido de carbono não serem emitidos para a atmosfera se for adotado pela indústria, "disse Sykes.

p Não apenas os catalisadores de liga de átomo único são mais eficientes, mas eles também tendem a realizar reações em condições mais suaves e temperaturas mais baixas e, portanto, requerem menos energia para funcionar do que os catalisadores convencionais. Eles podem ser mais baratos de produzir, exigindo apenas uma pequena fração de metais preciosos como platina ou ródio, o que pode ser muito caro. Por exemplo, o preço do ródio está atualmente em torno de US $ 22, 000 por onça, enquanto cobre, que compreende 99% do catalisador, custa apenas 30 centavos a onça. Os novos catalisadores de liga de átomo único de ródio / cobre também são resistentes à coqueificação - um problema onipresente nas reações catalíticas industriais em que intermediários com alto teor de carbono - basicamente, fuligem - acumula-se na superfície do catalisador e começa a inibir as reações desejadas. These improvements are a recipe for "greener" chemistry with a lower carbon footprint.

p "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.