科学家们现在可以为重要的化学反应设计单原子催化剂了

导读：塔夫茨大学、伦敦大学学院、剑桥大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员已经证明，催化剂确实可以成为一种变革的媒介。

据外媒报道，塔夫茨大学、伦敦大学学院、剑桥大学和加州大学圣塔芭芭拉分校的研究人员已经证明，催化剂确实可以成为一种变革的媒介。在周二发表在《科学》杂志上的一项研究中，他们使用在超级计算机上运行的量子化学模拟来预测一种新的催化剂结构以及它与某些化学品的相互作用，并在实践中证明了它生产丙烯的能力--目前供应不足--这在塑料、织物和其他化学品的制造中是至关重要的。这些改进有可能成为高效、“更环保”的化学，并减少碳足迹。

丙烯的需求量每年约为1亿吨（价值约为2000亿美元），而目前根本没有足够的资源来满足激增的需求。继硫酸和乙烯之后，其生产涉及到化学工业中按规模计算的第三大转换过程。生产丙烯和乙烯最常见的方法是蒸汽裂解，其产量限制在85%以内，是化学工业中能源最密集的工艺之一。生产丙烯的传统原料是石油和天然气作业的副产品，但向页岩气的转变限制了其产量。

从页岩气中发现的丙烷生产丙烯所用的典型催化剂是由金属的组合组成的，这些金属在原子层面上可能具有随机的复杂结构。反应性原子通常以许多不同的方式聚集在一起，使其很难根据对化学品可能与催化表面相互作用的基本计算来设计新的反应催化剂。

相比之下，塔夫茨大学发现并在2012年首次在《科学》杂志上报道的单原子合金催化剂，将单个活性金属原子分散在一个更惰性的催化剂表面，密度约为1个活性原子比100个惰性原子。这使得单个催化原子和被处理的化学品之间有了明确的相互作用，而不会因为与附近其他活性金属的不相干的相互作用而变得复杂。由单原子合金催化的反应往往是清洁和高效的，而且，正如目前的研究所证明的那样，它们现在可以通过理论方法进行预测。

塔夫茨大学化学系教授、该研究的通讯作者Charles Sykes说：“我们采取了一种新的方法，与伦敦大学学院和剑桥大学的合作者在超级计算机上运行第一原理计算，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。”

这些导致预测催化剂表面反应性的计算通过原子尺度成像和在模型催化剂上运行的反应得到证实。研究人员随后合成了单原子合金纳米粒子催化剂，并在工业相关条件下对其进行了测试。在这个特定的应用中，分散在铜表面的铑原子在丙烷脱氢制丙烯时效果最好。

该研究的共同通讯作者、伦敦大学化学工程系副教授Michail Stamatakis说：“对常用的异质催化剂的改进大多是一个试验和错误的过程。单原子催化剂使我们能够从第一原理上计算出分子和原子在催化表面如何相互作用，从而预测出反应结果。在这种情况下，我们预测铑会非常有效地从甲烷和丙烷等分子上拉出氢--这种预测与常识相反，但在付诸实践时却令人难以置信地成功。我们现在有了一种合理设计催化剂的新方法。”

单原子铑 (Rh) 催化剂的效率很高，可以100%地选择性生产产品丙烯，而目前的工业丙烯生产催化剂只有90%，这里的选择性是指在表面导致所需产品的反应的比例。Stamatakis说：“如果被工业界采用，这种效率水平可能会导致大量的成本节约和数百万吨的二氧化碳不被排放到大气中。”

单原子合金催化剂不仅效率更高，而且它们还倾向于在更温和的条件和更低的温度下运行反应，因此比传统催化剂需要更少的能源。它们的生产成本可能更低，只需要一小部分贵金属，如铂金或铑，而这些金属可能非常昂贵。例如，铑的价格目前约为每盎司22,000美元，而占催化剂99%的铜的价格仅为每盎司30美分。新的铑/铜单原子合金催化剂还具有抗结焦性--这是工业催化反应中一个普遍存在的问题，即高碳含量的中间产物--基本上是烟尘--在催化剂表面堆积，并开始抑制所需的反应。这些改进是降低碳足迹的 "更绿色 "化学的秘诀。

Stamatakis说：“这项工作进一步证明了单原子合金催化剂在解决催化剂行业效率低下方面的巨大潜力，这反过来又有非常大的经济和环境回报。”