De alomtegenwoordige kunststoffen in alledaagse producten – van waterflessen tot tuinmeubilair – beginnen met een fundamentele chemische transformatie: het omzetten van propaan in propyleen. Hoewel wetenschappers weten hoe deze conversie efficiënt uit te voeren met behulp van katalysatoren op nanoschaal, zijn de precieze atomaire mechanismen die dit proces aandrijven grotendeels mysterieus gebleven. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Rochester algoritmen ontwikkeld die de belangrijkste kenmerken van deze complexe chemie onthullen, en een weg bieden naar het optimaliseren van de industriële productie en het begrijpen van soortgelijke reacties.
De uitdaging van begrip op atomair niveau
Bedrijven vertrouwen al jaren op proefondervindelijke methoden om de opbrengst van propyleen uit propaan te verbeteren. Een onderzoek uit 2021 in Science heeft het potentieel aangetoond van tandemkatalysatoren op nanoschaal om dit proces te stroomlijnen, maar zonder een gedetailleerd begrip van wat er op atomair niveau gebeurt, is het toepassen van deze techniek op andere industriële processen moeilijk geweest. De reactie wordt gecompliceerd door het samenspel van materialen die in meerdere toestanden voorkomen, waardoor het moeilijk wordt om de kritische factoren aan te wijzen die de efficiëntie aandrijven.
Algoritmische doorbraak
Het Rochester-team, geleid door assistent-professor Siddharth Deshpande en Ph.D. student Snehitha Srirangam, publiceerden hun bevindingen in het Journal of the American Chemical Society. Hun aanpak omvat geavanceerde algoritmen die systematisch talloze atomaire mogelijkheden screenen, waarbij de nadruk ligt op de meest cruciale. “Er zijn zoveel verschillende mogelijkheden van wat er gebeurt op de katalytisch actieve sites,” legt Deshpande uit, “dus we hebben een algoritmische benadering nodig om heel eenvoudig maar logisch de grote hoeveelheid bestaande mogelijkheden te doorzoeken en ons te concentreren op de belangrijkste.”
Belangrijkste bevindingen: Oxidestabiliteit en defecte metaallocaties
De analyse bracht een aantal onverwachte inzichten aan het licht. Het team ontdekte dat de oxidecomponent in de reactie consequent rond defecte plekken op de metaalkatalysator groeide, een gedrag dat cruciaal is voor het behoud van de stabiliteit van de katalysator. Zelfs als het oxide in verschillende chemische samenstellingen bestond, bleef het verankerd aan deze defecte metaallocaties. Dit selectieve groeipatroon suggereert een fundamenteel ontwerpprincipe dat de efficiëntie van de reactie bepaalt.
Implicaties voor de industriële chemie
Volgens Deshpande kan deze kennis – en de algoritmische methoden die worden gebruikt om deze te verkrijgen – worden gebruikt om andere complexe chemische reacties te begrijpen, zoals de methanolsynthese, die in alles wordt gebruikt, van verven tot brandstofcellen. Bedrijven kunnen nu verder gaan dan tientallen jaren van vallen en opstaan en strategisch zoeken naar efficiëntere productiemethoden voor propyleen en andere industriële materialen.
Een algemene benadering van complexe reacties
De aanpak van het team beperkt zich niet tot de conversie van propaan naar propyleen. “Onze aanpak is heel algemeen en kan de deuren openen voor het begrijpen van veel van deze processen die decennialang een raadsel zijn gebleven”, stelt Deshpande. Hoewel deze reacties al tientallen jaren met succes worden geïmplementeerd, is een diep begrip van de onderliggende atomaire mechanismen ongrijpbaar gebleven. Dit nieuwe onderzoek overbrugt die kloof en biedt een weg naar geoptimaliseerde industriële chemie.
Concluderend: de algoritmische doorbraak van de Universiteit van Rochester biedt een nieuwe lens voor het onderzoeken van complexe chemische reacties, en biedt het potentieel om industriële processen te transformeren van empirisch giswerk naar datagestuurde efficiëntie.
