Die allgegenwärtigen Kunststoffe in Alltagsprodukten – von Wasserflaschen bis hin zu Gartenmöbeln – beginnen mit einer grundlegenden chemischen Umwandlung: der Umwandlung von Propan in Propylen. Während Wissenschaftler wissen, wie diese Umwandlung mithilfe nanoskaliger Katalysatoren effizient durchgeführt werden kann, sind die genauen atomaren Mechanismen, die diesen Prozess antreiben, weitgehend rätselhaft geblieben. Jetzt haben Forscher der Universität Rochester Algorithmen entwickelt, die die Schlüsselmerkmale dieser komplexen Chemie aufdecken und einen Weg zur Optimierung der industriellen Produktion und zum Verständnis ähnlicher Reaktionen bieten.
Die Herausforderung des Verständnisses auf atomarer Ebene
Seit Jahren verlassen sich Unternehmen auf Versuch-und-Irrtum-Methoden, um die Ausbeute von Propylen aus Propan zu verbessern. Eine Studie in Science aus dem Jahr 2021 zeigte das Potenzial von Tandem-Nanokatalysatoren zur Rationalisierung dieses Prozesses, aber ohne ein detailliertes Verständnis dessen, was auf atomarer Ebene geschieht, war die Anwendung dieser Technik auf andere industrielle Prozesse schwierig. Die Reaktion wird durch das Zusammenspiel von Materialien in mehreren Zuständen erschwert, was es schwierig macht, die entscheidenden Faktoren für die Effizienz zu bestimmen.
Algorithmischer Durchbruch
Das Rochester-Team unter der Leitung von Assistenzprofessor Siddharth Deshpande und Ph.D. Die Studentin Snehitha Srirangam veröffentlichte ihre Ergebnisse im Journal of the American Chemical Society. Ihr Ansatz umfasst ausgefeilte Algorithmen, die systematisch unzählige atomare Möglichkeiten durchsuchen und sich dabei auf die wichtigsten konzentrieren. „Es gibt so viele verschiedene Möglichkeiten, was an den katalytisch aktiven Zentren passiert“, erklärt Deshpande, „also brauchen wir einen algorithmischen Ansatz, um die große Menge der vorhandenen Möglichkeiten sehr einfach und dennoch logisch zu durchsuchen und uns auf die wichtigsten zu konzentrieren.“
Wichtigste Ergebnisse: Oxidstabilität und fehlerhafte Metallstandorte
Die Analyse brachte mehrere unerwartete Erkenntnisse zutage. Das Team stellte fest, dass die Oxidkomponente in der Reaktion kontinuierlich um fehlerhafte Stellen auf dem Metallkatalysator herum wuchs, ein Verhalten, das für die Aufrechterhaltung der Stabilität des Katalysators entscheidend ist. Selbst wenn das Oxid in unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen vorlag, blieb es an diesen defekten Metallstellen verankert. Dieses selektive Wachstumsmuster legt ein grundlegendes Designprinzip nahe, das die Effizienz der Reaktion bestimmt.
Implikationen für die industrielle Chemie
Laut Deshpande kann dieses Wissen – und die algorithmischen Methoden, mit denen es gewonnen wird – genutzt werden, um andere komplexe chemische Reaktionen zu verstehen, wie etwa die Methanolsynthese, die in allen Bereichen von Farben bis hin zu Brennstoffzellen eingesetzt wird. Unternehmen können nun über Jahrzehnte des Versuchs und Irrtums hinausgehen und strategisch nach effizienteren Produktionsmethoden für Propylen und andere Industriematerialien suchen.
Ein allgemeiner Ansatz für komplexe Reaktionen
Der Ansatz des Teams beschränkt sich nicht auf die Umwandlung von Propan in Propylen. „Unser Ansatz ist sehr allgemein und kann die Türen zum Verständnis vieler dieser Prozesse öffnen, die jahrzehntelang ein Rätsel geblieben sind“, betont Deshpande. Obwohl diese Reaktionen seit Jahrzehnten erfolgreich durchgeführt werden, ist ein tiefes Verständnis der zugrunde liegenden atomaren Mechanismen noch immer unklar. Diese neue Forschung schließt diese Lücke und bietet einen Weg zu einer optimierten Industriechemie.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der algorithmische Durchbruch der University of Rochester eine neue Perspektive für die Untersuchung komplexer chemischer Reaktionen bietet und das Potenzial bietet, industrielle Prozesse von empirischen Vermutungen in datengesteuerte Effizienz umzuwandeln
