Bilim İnsanları Önemli Kimyasal Reaksiyonlar için Tek Atomlu Katalizörler Tasarlayabilecek
Fotoğraf : Teori tarafından tahmin edildiği gibi, yeni tek atomlu alaşım katalizörü üzerinde gerçekleşen propan hidrojen giderme işleminin sanatsal sunumu. Resim, bir süper bilgisayar üzerinde bir kuantum kimyası hesaplamasından elde edilen geçiş durumunu, yani reaksiyon yolu boyunca maksimum enerjinin moleküler konfigürasyonunu göstermektedir. Kredi bilgileri: Charles Sykes ve Michail Stamatakis
Moleküler etkileşimlerin temel hesaplamalarını kullanarak, plastik ve kumaş imalatının önemli bir öncüsü olan propilen üretiminde %100 seçiciliğe sahip bir katalizör oluşturdular.
Tufts Üniversitesi, Londra Üniversitesi Akademisi, Cambridge Üniversitesi ve Santa Barbara’daki California Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, bir katalizörün gerçekten de değişimin bir aracı olabileceğini gösterdiler. Science dergisinde bugün yayınlanan bir çalışmada , yeni bir katalizör mimarisinin yanı sıra belirli kimyasallarla etkileşimlerini tahmin etmek için süper bilgisayarlar üzerinde çalışan kuantum kimyasal simülasyonları kullandılar ve pratikte kritik olarak plastik, kumaş ve diğer kimyasalların üretiminde ihtiyaç duyulan propilen üretme yeteneğini (şu anda yetersiz olan) gösterdiler. İyileştirmeler, daha düşük karbon ayak izi ile yüksek verimli, “daha yeşil” kimya potansiyeline sahiptir.
Propilen talebi yılda yaklaşık 100 milyon mt (yaklaşık 200 milyar $ değerinde) ve şu anda artan talebi karşılamak için yeterli mevcut değil. Sülfürik asit ve etilenin yanında, üretimi, ölçek bazında kimya endüstrisindeki en büyük üçüncü dönüşüm sürecini içerir. Propilen ve etilen üretimi için en yaygın yöntem, verimi %85 ile sınırlı olan ve kimya endüstrisindeki en enerji yoğun proseslerden biri olan buharla parçalama yöntemidir. Propilen üretimi için geleneksel hammaddeler, petrol ve gaz operasyonlarının yan ürünleridir, ancak kaya gazına geçiş üretimini sınırlamıştır.
Şeyl gazında bulunan propandan propilen üretiminde kullanılan tipik katalizörler, atomik düzeyde rastgele, karmaşık bir yapıya sahip olabilen metal kombinasyonlarından oluşur. Reaktif atomlar genellikle, kimyasalların katalitik yüzey ile nasıl etkileşime girebileceğine ilişkin temel hesaplamalara dayalı olarak, reaksiyonlar için yeni katalizörler tasarlamayı zorlaştıran birçok farklı şekilde bir arada kümelenir.
Buna karşılık, Tufts Üniversitesi’nde keşfedilen ve ilk olarak 2012’de Science’da rapor edilen tek atomlu alaşımlı katalizörler, tek reaktif metal atomlarını daha eylemsiz bir katalizör yüzeyinde, yaklaşık 1 reaktif atom ila 100 eylemsiz atom yoğunluğunda dağıtır. Bu, tek bir katalitik atom ile yakınlardaki diğer reaktif metaller ile yabancı etkileşimlerle birleştirilmeden işlenen kimyasal arasında iyi tanımlanmış bir etkileşim sağlar. Tek atomlu alaşımlar tarafından katalize edilen reaksiyonlar, temiz ve verimli olma eğilimindedir ve mevcut çalışmada gösterildiği gibi, artık teorik yöntemlerle tahmin edilebilirler.
Tufts Üniversitesi Kimya Bölümü Profesörü ve çalışmanın ilgili yazarı Charles Sykes, “Londra Üniversitesi Akademisi ve Cambridge Üniversitesindeki işbirlikçilerimizle süper bilgisayarlarda yürütülen ilk prensip hesaplamalarını kullanarak soruna yeni bir yaklaşım getirdik ve bu da propanı propilene dönüştürmek için en iyi katalizörün ne olacağını tahmin etmemizi sağladı” dedi.
Katalizör yüzeyinde reaktivite tahminlerine yol açan bu hesaplamalar, atomik ölçekli görüntüleme ve model katalizörler üzerinde yürütülen reaksiyonlarla doğrulandı. Araştırmacılar daha sonra tek atomlu alaşım nanoparçacık katalizörlerini sentezlediler ve bunları endüstriyel olarak ilgili koşullar altında test ettiler. Bu özel uygulamada, bir bakır (Cu) yüzey üzerinde dağılmış rodyum (Rh) atomları, propan yapmak için propanı hidrojenden arındırmak için en iyi sonucu vermiştir.
Londra Üniversitesi Akademisi Kimya Mühendisliğinde doçent olan ve çalışmanın ortak yazarı Michail Stamatakis, “Yaygın olarak kullanılan heterojen katalizörlerin iyileştirilmesi çoğunlukla bir deneme-yanılma süreci oldu” dedi. “Tek atomlu katalizörler, moleküllerin ve atomların katalitik yüzeyde birbirleriyle nasıl etkileştiğini ilk prensiplerden hesaplamamıza ve böylece reaksiyon sonuçlarını tahmin etmemize izin veriyor. Bu durumda, rodyumun metan ve propan gibi moleküllerden hidrojenleri çekmede çok etkili olacağını tahmin etmiştik – bu, genel kanıya ters düşen ancak yine de uygulamaya alındığında inanılmaz derecede başarılı olduğu ortaya çıkan bir tahmin. Artık katalizörlerin rasyonel tasarımı için yeni bir yöntemimiz var.”
Tek atomlu Rh katalizörü, seçiciliğin, istenen ürüne yol açan yüzeydeki reaksiyonların oranını ifade ettiği mevcut endüstriyel propilen üretim katalizörleri için %90’a kıyasla, propilen ürününün %100 seçici üretimi ile oldukça verimliydi. Sykes, “Bu verimlilik düzeyi, endüstri tarafından benimsenirse, büyük maliyet tasarruflarına ve milyonlarca ton karbondioksitin atmosfere salınmamasına yol açabilir” dedi.
Tek atomlu alaşım katalizörleri sadece daha verimli olmakla kalmaz, aynı zamanda reaksiyonları daha yumuşak koşullar ve daha düşük sıcaklıklarda çalıştırma eğilimindedirler ve bu nedenle çalıştırmak için geleneksel katalizörlerden daha az enerji gerektirirler. Platin veya rodyum gibi çok pahalı olabilen değerli metallerin yalnızca küçük bir kısmını gerektirdiğinden, üretilmesi daha ucuz olabilir. Örneğin, rodyum fiyatı şu anda ons başına 22.000 dolar civarındayken, katalizörün %99’unu oluşturan bakırın ons fiyatı sadece 30 sent. Yeni rodyum/bakır tek atomlu alaşım katalizörleri, aynı zamanda, yüksek karbon içerikli ara maddelerin – temel olarak kurum – katalizörün yüzeyinde biriktiği ve istenen reaksiyonları engellemeye başladığı endüstriyel katalitik reaksiyonlarda yaygın bir sorun olan koklaşmaya karşı da dirençlidir.
Sykes, “Bu çalışma, katalizör endüstrisindeki verimsizlikleri gidermek için tek atomlu alaşımlı katalizörlerin büyük potansiyelini daha çok gösteriyor ve bu çok büyük ekonomik ve çevresel getirilere sahip” dedi.
Kaynak : scitechdaily.com
