UCLA化学工程师发现提高塑料前体生产效率的新途径
计算模拟显示新型催化剂可在降低能耗的同时提高丙烯生产的稳定性
计算模拟显示新型催化剂可在降低能耗的同时提高丙烯生产的稳定性
本文最初由UCLA Samueli新闻室发布
利用单原子合金将丙烷转化为氢气和丙烯的化学过程示意图（图片提供：UCLA Sautet实验室）
聚丙烯是一种轻质耐用的塑料，广泛应用于食品容器和储物箱等日常用品。然而，其原材料丙烯的传统生产方法通常依赖高能耗工艺或昂贵的铂基催化剂，且往往导致产量不稳定。
现在，UCLA的化学工程师通过计算机模拟，找到了一种有前景的方法来提高丙烷气体转化为丙烯的效率。丙烯是全球第二大塑料前体，仅次于乙烯。
研究团队发现，一种名为单原子合金的新型催化剂可以提高该过程的效率，增加产量，同时降低能耗和材料成本。相关研究于4月1日发表在《Chem Catalysis》期刊上。
丙烯主要通过蒸汽裂解和流化催化裂解工艺生产，这些工业过程需将烃类加热至800°C以上，以"裂解"成更小的分子。虽然有效，但这些方法能耗高，并产生多种化学副产物。
另一种方法是丙烷脱氢，其在600°C左右的较低温度下运行，同时生成丙烯和高纯度氢气。然而，该过程依赖昂贵的铂基催化剂，且容易发生"结焦"现象，即碳沉积堵塞催化剂表面，导致性能下降和需要定期停机清理。
为解决这些限制，UCLA团队通过计算机模拟研究了由铜合金制成的催化剂，其中含有少量铪或铱。模拟结果显示，这些单原子合金可以比铂基系统更高效地催化反应，同时减少结焦。
在单原子合金中，活性金属（如铪或铱）的单个原子分散在基体金属（此处为铜）表面，从而实现对化学反应的更精确控制。
研究负责人Philippe Sautet表示："这些铜基单原子合金的优势在于其结构。它含有刚好足够的活性金属来执行反应，但不会过多导致浪费或不希望的副产物。用这些材料替代铂可以实现更高效的丙烯和氢气生产，同时限制结焦形成。"
根据团队的模拟，性能的提升源于铪或铱原子的隔离，这增强了它们断裂丙烷分子中氢-碳键的能力，从而实现更可控的丙烯生成反应。
这些发现基于预测性计算模拟，仍需实验验证。先前的实验研究表明，单原子催化剂在丙烷-丙烯转化中可以实现高选择性。未来的工作将需要确认这些结果，并评估其在工业应用中的可扩展性。
在UCLA，Sautet还在化学与生物化学系担任联合教职，并是加州纳米系统研究所的成员。
该研究的合著者Hio Tong Ngan于2024年在Sautet的指导下完成化学工程博士学位，现为能源行业的研究工程师。
该研究由美国能源部科学办公室资助。计算资源由能源部国家能源研究科学计算中心、匹兹堡超级计算中心和UCLA数字研究与教育研究所
来源：CNSI
