Повсеместные пластики в повседневных продуктах – от бутылок с водой до уличной мебели – начинаются с фундаментальной химической трансформации: превращения пропана в пропилен. Хотя ученые давно знают, как эффективно проводить это превращение с помощью нанокатализаторов, точные атомные механизмы, управляющие процессом, во многом оставались загадкой. Теперь исследователи из Университета Рочестера разработали алгоритмы, которые раскрывают ключевые особенности, определяющие эту сложную химию, предлагая путь к оптимизации промышленного производства и пониманию аналогичных реакций.
Проблема понимания на атомном уровне
На протяжении многих лет компании полагались на метод проб и ошибок для повышения выхода пропилена из пропана. Исследование 2021 года в журнале Science продемонстрировало потенциал тандемных нанокатализаторов для оптимизации этого процесса, но без детального понимания того, что происходит на атомном уровне, применение этой техники к другим промышленным процессам было затруднено. Реакция осложняется взаимодействием материалов, существующих в нескольких состояниях, что затрудняет выявление критических факторов, определяющих эффективность.
Алгоритмический прорыв
Команда из Рочестера, возглавляемая помощником профессора Сиддхартхом Дешпанде и аспиранткой Снехитой Срирангам, опубликовала свои выводы в Journal of the American Chemical Society. Их подход включает в себя сложные алгоритмы, которые систематически просматривают бесчисленные атомные возможности, сосредотачиваясь на наиболее важных из них. «Существует так много различных возможностей того, что происходит в каталитических активных центрах, – объясняет Дешпанде, – поэтому нам нужен алгоритмический подход, чтобы очень легко, но логично просматривать огромное количество возможностей и сосредотачиваться на наиболее важных».
Ключевые выводы: стабильность оксида и дефектные металлические участки
Анализ выявил несколько неожиданных закономерностей. Команда обнаружила, что оксидный компонент в реакции постоянно растет вокруг дефектных участков на металлическом катализаторе, поведение, которое критически важно для поддержания стабильности катализатора. Даже когда оксид существовал в различных химических составах, он оставался закрепленным на этих дефектных металлических участках. Эта избирательная модель роста предполагает фундаментальный принцип проектирования, определяющий эффективность реакции.
Последствия для промышленной химии
По словам Дешпанде, эти знания – и алгоритмические методы, использованные для их получения – можно использовать для понимания других сложных химических реакций, таких как синтез метанола, который используется во всем: от красок до топливных элементов. Компании теперь могут отойти от десятилетий проб и ошибок, стратегически стремясь к более эффективным методам производства пропилена и других промышленных материалов.
Общий подход к сложным реакциям
Подход команды не ограничивается превращением пропана в пропилен. «Наш подход очень общий и может открыть двери для понимания многих из этих процессов, которые оставались загадкой на протяжении десятилетий, – утверждает Дешпанде. Хотя эти реакции успешно реализуются на протяжении десятилетий, глубокое понимание лежащих в их основе атомных механизмов оставалось неуловимым. Это новое исследование восполняет этот пробел, предлагая путь к оптимизированной промышленной химии.
В заключение, алгоритмический прорыв Университета Рочестера предоставляет новый взгляд на изучение сложных химических реакций, предлагая потенциал для преобразования промышленных процессов из эмпирических предположений в эффективное управление данными.
