Chercheurs de l'Université Tufts, University College London (UCL), L'Université de Cambridge et l'Université de Californie à Santa Barbara ont démontré qu'un catalyseur peut en effet être un agent de changement. Dans une étude publiée aujourd'hui dans Science , ils ont utilisé des simulations de chimie quantique exécutées sur des superordinateurs pour prédire une nouvelle architecture de catalyseur ainsi que ses interactions avec certains produits chimiques, et a démontré dans la pratique sa capacité à produire du propylène - actuellement en pénurie - qui est indispensable à la fabrication de plastiques, tissus et autres produits chimiques. Les améliorations ont le potentiel d'être hautement efficaces, une chimie « plus verte » avec une empreinte carbone plus faible.

La demande de propylène est d'environ 100 millions de tonnes métriques par an (d'une valeur d'environ 200 milliards de dollars), et il n'y a tout simplement pas assez de disponibilité en ce moment pour répondre à la demande croissante. A côté de l'acide sulfurique et de l'éthylène, sa production implique le troisième plus grand processus de conversion de l'industrie chimique par échelle. La méthode la plus courante pour produire du propylène et de l'éthylène est le vapocraquage, qui a un rendement limité à 85 % et est l'un des procédés les plus énergivores de l'industrie chimique. Les matières premières traditionnelles pour la production de propylène sont des sous-produits des opérations pétrolières et gazières, mais le passage au gaz de schiste a limité sa production.

Les catalyseurs typiques utilisés dans la production de propylène à partir de propane trouvé dans le gaz de schiste sont constitués de combinaisons de métaux qui peuvent avoir un effet aléatoire, structure complexe au niveau atomique. Les atomes réactifs sont généralement regroupés de différentes manières, ce qui rend difficile la conception de nouveaux catalyseurs pour les réactions, sur la base de calculs fondamentaux sur la façon dont les produits chimiques pourraient interagir avec la surface catalytique.

Par contre, catalyseurs d'alliage à un seul atome, découvert à l'Université Tufts et signalé pour la première fois en Science en 2012, disperser des atomes métalliques réactifs uniques dans une surface de catalyseur plus inerte, à une densité d'environ 1 atome réactif à 100 atomes inertes. Cela permet une interaction bien définie entre un seul atome catalytique et le produit chimique en cours de traitement sans être aggravée par des interactions étrangères avec d'autres métaux réactifs à proximité. Les réactions catalysées par des alliages à un seul atome ont tendance à être propres et efficaces, et, comme le montre la présente étude, elles sont désormais prévisibles par des méthodes théoriques.

"Nous avons adopté une nouvelle approche du problème en utilisant des calculs de premiers principes exécutés sur des superordinateurs avec nos collaborateurs de l'University College London et de l'Université de Cambridge, qui nous a permis de prédire quel serait le meilleur catalyseur pour convertir le propane en propylène, " dit Charles Sykes, le professeur John Wade au Département de chimie de l'Université Tufts et auteur correspondant de l'étude.

Ces calculs qui ont conduit à des prédictions de réactivité à la surface du catalyseur ont été confirmés par l'imagerie à l'échelle atomique et des réactions exécutées sur des catalyseurs modèles. Les chercheurs ont ensuite synthétisé des catalyseurs à nanoparticules d'alliage à un seul atome et les ont testés dans des conditions pertinentes pour l'industrie. Dans cette application particulière, les atomes de rhodium (Rh) dispersés sur une surface de cuivre (Cu) fonctionnaient mieux pour déshydrogéner le propane afin de produire du propylène.

"L'amélioration des catalyseurs hétérogènes couramment utilisés a été principalement un processus d'essais et d'erreurs, " a déclaré Michail Stamatakis, professeur agrégé de génie chimique à l'UCL et co-auteur de l'étude. "Les catalyseurs à un seul atome nous permettent de calculer à partir des premiers principes comment les molécules et les atomes interagissent les uns avec les autres à la surface catalytique, prédisant ainsi les résultats de la réaction. Dans ce cas, nous avons prédit que le rhodium serait très efficace pour extraire les hydrogènes de molécules comme le méthane et le propane, une prédiction qui allait à l'encontre de la sagesse commune, mais qui s'est néanmoins avérée incroyablement efficace lorsqu'elle a été mise en pratique. Nous avons maintenant une nouvelle méthode pour la conception rationnelle des catalyseurs."

Le catalyseur à un seul atome de Rh était très efficace, avec une production 100% sélective du produit propylène, contre 90 % pour les catalyseurs industriels actuels de production de propylène, où la sélectivité fait référence à la proportion de réactions à la surface qui conduit au produit souhaité. "Ce niveau d'efficacité pourrait conduire à d'importantes économies de coûts et à des millions de tonnes de dioxyde de carbone non émis dans l'atmosphère s'il est adopté par l'industrie, " dit Sykes.

Non seulement les catalyseurs d'alliage à atome unique sont plus efficaces, mais ils ont également tendance à effectuer des réactions dans des conditions plus douces et à des températures plus basses et nécessitent donc moins d'énergie pour fonctionner que les catalyseurs conventionnels. Ils peuvent être moins chers à produire, ne nécessitant qu'une petite fraction de métaux précieux comme le platine ou le rhodium, ce qui peut coûter très cher. Par exemple, le prix du rhodium est actuellement d'environ 22 $, 000 par once, tandis que le cuivre, qui comprend 99% du catalyseur, ne coûte que 30 cents l'once. The new rhodium/copper single-atom alloy catalysts are also resistant to coking—a ubiquitous problem in industrial catalytic reactions in which high carbon content intermediates—basically, soot—build up on the surface of the catalyst and begin inhibiting the desired reactions. These improvements are a recipe for "greener" chemistry with a lower carbon footprint.

"This work further demonstrates the great potential of single-atom alloy catalysts for addressing inefficiencies in the catalyst industry, which in turn has very large economic and environmental payoffs, " dit Sykes.