科学家可以预测和设计用于重要化学反应的单原子催化剂

　　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的研究人员已经证明，一种催化剂确实可以起到改变的作用。他们利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物质的相互作用，并在实践中证明了它能够生产目前供不应求的丙烯，而这正是塑料制造业所急需的，织物和其他化学品。这些改进有可能产生高效、更环保、碳足迹更低的化学反应。
　　丙烯的需求量约为每年1亿公吨（价值约2000亿美元），目前根本无法满足激增的需求。其生产规模仅次于硫酸和乙烯，是化学工业中第三大的转化工艺。生产丙烯和乙烯最常用的方法是蒸汽裂解法，其产率限制在85%以内，是化学工业中能耗最高的工艺之一。生产丙烯的传统原料是石油和天然气作业的副产品，但转向页岩气限制了其产量。
　　从页岩气中发现的丙烷生产丙烯所用的典型催化剂是由在原子水平上具有随机复杂结构的金属组合构成的。反应性原子通常以许多不同的方式聚集在一起，这使得根据化学物质如何与催化表面相互作用的基本计算，很难设计新的反应催化剂。
　　与此相反，单原子合金催化剂，在塔夫斯大学发现并首次在2012发表在科学报告中，在一个惰性催化剂表面分散单一的活性金属原子，在大约1的反应原子密度到100个惰性原子。这使得单个催化原子和正在处理的化学物质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额外的相互作用。由单原子合金催化的反应趋向于清洁和高效，并且，如当前的研究所证明的，它们现在可以通过理论方法来预测。
　　Charles Sykes说：＂我们通过在伦敦大学学院和剑桥大学的合作者使用超级计算机上的第一原理计算，来解决这个问题，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。＂塔夫斯大学化学系的John Wade教授和该研究的相应作者。
　　这些导致催化剂表面反应性预测的计算结果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进行了测试。在这个特殊的应用中，分散在铜（Cu）表面的铑（Rh）原子对丙烷脱氢制丙烯最有效。
　　UCL化学工程副教授、该研究的合著者Michail Stamatakis说：＂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如何在催化表面相互作用，从而预测反应结果。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。＂
　　单原子铑催化剂的效率很高，产品丙烯的选择性产量为100%，而目前工业丙烯生产催化剂的选择性产量为90%，其中选择性指的是在表面上产生所需产品的反应比例。＂如果工业界采用这一技术，那么这种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。
　　单原子合金催化剂不仅效率更高，而且往往在较温和的条件和较低的温度下进行反应，因此比传统催化剂需要更少的能量。它们的生产成本较低，只需要少量贵金属，如铂或铑，这可能非常昂贵。例如，目前铑的价格约为每盎司22000美元，而铜（占催化剂的99%）的价格仅为每盎司30美分。新型的铑/铜单原子合金催化剂也具有抗结焦的能力，这是工业催化反应中普遍存在的问题，在工业催化反应中，高碳含量的中间产物基本上会在催化剂表面积聚烟尘，并开始抑制所需的反应。这些改进是一个＂绿色＂化学配方，具有较低的碳足迹。
　　赛克斯说：＂这项研究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问题上的巨大潜力，而这反过来又带来了巨大的经济和环境效益。＂