據外媒報道，塔夫茨大學、倫敦大學學院、劍橋大學和加州大學聖塔芭芭拉分校的研究人員已經證明，催化劑確實可以成為一種變革的媒介。在周二發表在《科學》雜誌上的一項研究中，他們使用在超級計算機上運行的量子化學模擬來預測一種新的催化劑結構以及它與某些化學品的相互作用，並在實踐中證明了它生產丙烯的能力–目前供應不足–這在塑料、織物和其他化學品的製造中是至關重要的。這些改進有可能成為高效、“更環保”的化學，並減少碳足跡。
丙烯的需求量每年約為1億噸（價值約為2000億美元），而目前根本沒有足夠的資源來滿足激增的需求。繼硫酸和乙烯之後，其生產涉及到化學工業中按規模計算的第三大轉換過程。生產丙烯和乙烯最常見的方法是蒸汽裂解，其產量限制在85%以內，是化學工業中能源最密集的工藝之一。生產丙烯的傳統原料是石油和天然氣作業的副產品，但向頁岩氣的轉變限制了其產量。
從頁岩氣中發現的丙烷生產丙烯所用的典型催化劑是由金屬的組合組成的，這些金屬在原子層面上可能具有隨機的複雜結構。反應性原子通常以許多不同的方式聚集在一起，使其很難根據對化學品可能與催化表面相互作用的基本計算來設計新的反應催化劑。
相比之下，塔夫茨大學發現並在2012年首次在《科學》雜誌上報道的單原子合金催化劑，將單個活性金屬原子分散在一個更惰性的催化劑表面，密度約為1個活性原子比100個惰性原子。這使得單個催化原子和被處理的化學品之間有了明確的相互作用，而不會因為與附近其他活性金屬的不相干的相互作用而變得複雜。由單原子合金催化的反應往往是清潔和高效的，而且，正如目前的研究所證明的那樣，它們現在可以通過理論方法進行預測。
塔夫茨大學化學系教授、該研究的通訊作者Charles Sykes說：“我們採取了一種新的方法，與倫敦大學學院和劍橋大學的合作者在超級計算機上運行第一原理計算，這使我們能夠預測將丙烷轉化為丙烯的最佳催化劑是什麼。”
這些導致預測催化劑表面反應性的計算通過原子尺度成像和在模型催化劑上運行的反應得到證實。研究人員隨後合成了單原子合金納米粒子催化劑，並在工業相關條件下對其進行了測試。在這個特定的應用中，分散在銅表面的銠原子在丙烷脫氫制丙烯時效果最好。
該研究的共同通訊作者、倫敦大學化學工程系副教授Michail Stamatakis說：“對常用的異質催化劑的改進大多是一個試驗和錯誤的過程。單原子催化劑使我們能夠從第一原理上計算出分子和原子在催化表面如何相互作用，從而預測出反應結果。在這種情況下，我們預測銠會非常有效地從甲烷和丙烷等分子上拉出氫–這種預測與常識相反，但在付諸實踐時卻令人難以置信地成功。我們現在有了一種合理設計催化劑的新方法。”
單原子銠 (Rh) 催化劑的效率很高，可以100%地選擇性生產產品丙烯，而目前的工業丙烯生產催化劑只有90%，這裡的選擇性是指在表面導致所需產品的反應的比例。Stamatakis說：“如果被工業界採用，這種效率水平可能會導致大量的成本節約和數百萬噸的二氧化碳不被排放到大氣中。”
單原子合金催化劑不僅效率更高，而且它們還傾向於在更溫和的條件和更低的溫度下運行反應，因此比傳統催化劑需要更少的能源。它們的生產成本可能更低，只需要一小部分貴金屬，如鉑金或銠，而這些金屬可能非常昂貴。例如，銠的價格目前約為每盎司22,000美元，而占催化劑99%的銅的價格僅為每盎司30美分。新的銠/銅單原子合金催化劑還具有抗結焦性–這是工業催化反應中一個普遍存在的問題，即高碳含量的中間產物–基本上是煙塵–在催化劑表面堆積，並開始抑制所需的反應。這些改進是降低碳足跡的 “更綠色 “化學的秘訣。
Stamatakis說：“這項工作進一步證明了單原子合金催化劑在解決催化劑行業效率低下方面的巨大潛力，這反過來又有非常大的經濟和環境回報。”