Večskalno modeliranje izboljšalo katalizator za epoksidacijo
Več kot 90 odstotkov kemikalij se proizvaja s katalitičnimi postopki, pri katerih je reakcija izvedljiva le, če uporabimo ustrezen katalizator. Iskanje boljših katalizatorjev z večjo selektivnostjo in aktivnostjo prevladuje v kemijski industriji že od konca 19. stoletja, saj vsaka izboljšava prinaša pomembne finančne, okoljske in družbene koristi. Z uporabo računalniških metod smo pregledali celoten periodni sistem, da bi našli boljši katalizator za epoksidacijo etilena. Čeprav je znano, da je srebro najuspešnejši katalizator, je naš model predvideval, da bi ga morale njegove zlitine s Cu/Pb, Cu/Cd ali Cu/Tl preseči. Nato smo jih eksperimentalno sintetizirali in potrdili njihovo superiornost.
Epoksidacija etilena je industrijsko in komercialno ena najpomembnejših selektivnih oksidacij. Srebrovi katalizatorji so že desetletja najsodobnejši, njihova učinkovitost pa se z empiričnimi odkritji dopantov in sokatalizatorjev nenehno izboljšuje. Vendar smo računalniško pregledali celoten periodni sistem v upanju, da bomo našli izboljšan katalizator. Združujemo ab initio izračune, korelacije in mikrokinetično modeliranje reaktorjev, ki presega običajne poenostavljene modele stacionarnega stanja ali določanja hitrosti na nespremenljivih površinah katalizatorjev. Izvedli smo podrobne kvantnokemijske simulacije devetih plemenitih kovin in nato te podatke uporabili za sklepanje o aktivnosti celotnega periodnega sistema na podlagi deskriptorjev. Predvidevali smo, da bodo Ag/CuPb, Ag/CuCd in Ag/CuTl boljši od katalizatorjev iz čistega srebra.
Za potrditev teoretične napovedi smo jih sami sintetizirali, da bi natančno primerjali učinke vsakega dopanta in zlitine. Zagotovili smo, da so imeli protokol sinteze, ki ga je bilo mogoče zlahka razširiti. Karakterizacija z naprednimi metodami, kot so slikanje z visoko ločljivostjo, rentgenska difrakcija, XPS, TPD in TEM, je potrdila njihovo sestavo in pojasnila njihovo strukturo. Nadaljnje katalitično testiranje je pokazalo, da je model pravilno napovedal delovanje vseh testiranih katalizatorjev, vključno z bolj in manj aktivnimi vzorci.
Pokazali smo, da je za popolno izkoriščanje potenciala računalniškega odkrivanja katalizatorjev nujno vključiti ustrezne pogoje in situ, npr. površinsko oksidacijo, parazitske stranske reakcije in razgradnjo etilen epoksidov, saj zanemarjanje teh učinkov vodi do napačnih napovedi. Spoznanja iz modeliranja so nam omogočila sintezo novih katalizatorjev in teoretično razumevanje eksperimentalnih rezultatov, s čimer smo premostili vrzel med simulacijami prvih načel in industrijsko uporabo. Pokazali smo, da je mogoče računalniško načrtovanje katalizatorjev zlahka razširiti, da se upoštevajo večje reakcijske mreže in drugi učinki, kot je površinska oksidacija.
Avtorji raziskave so Matej Huš, Miha Grilc, Janvit Teržan in Blaž Likozar z Odseka za katalizo in reakcijsko inženirstvo Kemijskega inštituta, Sašo Gyergyek z Inštituta Jožefa Stefana in Anders Hellman s Tehniške univerze Chalmers v Göteborgu na Švedskem. Članek je objavljen v reviji Angewandte Chemie.
Povezava do članka: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202305804
Kontakt za več informacij: matej.hus(at)ki.si