Обычные предметы, от пластиковых бутылок до садовой мебели, производятся с использованием процесса, который превращает пропан в пропилен. Ещё в 2021 году исследование в журнале Science продемонстрировало, что химики могут использовать тандемные нанокатализаторы для объединения нескольких этапов этого превращения в единую реакцию – такой подход увеличивает выход продукта и снижает затраты. Однако лежащая в его основе атомная активность оставалась неясной, что затрудняло адаптацию этой стратегии к другим важным промышленным реакциям.
Исследователи из Университета Рочестера разработали алгоритмы, которые способны идентифицировать атомные особенности, контролирующие сложную химию, происходящую при превращении пропана в пропилен на нанокатализаторах. Их работа, опубликованная в Journal of the American Chemical Society, подробно описывает эти взаимодействия, которые усложняются из-за перехода задействованных материалов между несколькими состояниями.
Профессор Сиддхарт Дешпанде из Департамента химической инженерии и устойчивого развития объясняет, что существует множество вариантов событий на активных участках катализатора. По этой причине необходим алгоритмический подход для простого, но логичного анализа большого количества имеющихся возможностей и сосредоточения на наиболее значимых из них. Он добавил, что учёные усовершенствовали свои алгоритмы и использовали их для детального анализа металлической и оксидной фаз, управляющих этой сложной реакцией.
В ходе исследования Дешпанде и его аспирантка по химической инженерии Снехита Шрирангам обнаружили несколько неожиданных закономерностей. Выяснилось, что оксид в реакции имеет тенденцию образовываться вокруг дефектных металлических участков высокоизбирательным образом. Эта особенность играет ключевую роль в стабилизации катализатора. Несмотря на то, что оксид может проявляться в различных химических составах, он постоянно располагался вокруг дефектных металлических участков.
По мнению Дешпанде, эти выводы и разработанные алгоритмические инструменты могут помочь другим исследователям изучать атомную структуру аналогичных реакций, включая синтез метанола, используемого в продуктах от красок до топливных элементов. Он полагает, что со временем это знание позволит компаниям переходить к более эффективным методам производства пропилена и других промышленных материалов, снижая зависимость от метода проб и ошибок, который доминировал в этой области на протяжении десятилетий. Дешпанде отметил, что их подход весьма универсален и способен открыть двери для понимания многих процессов, остававшихся загадкой десятилетиями. Он также подчеркнул, что хотя мы знаем, что эти процессы работают и производят тонны химикатов, многое ещё предстоит узнать о том, почему именно они так эффективны.
