Atomare Erkenntnisse könnten die Effizienz der chemischen Produktion steigern
Forscher entwickeln Algorithmen, die zeigen, wie aus Propan Propylen wird
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Zahllose Alltagsprodukte - von Plastikflaschen bis hin zu Gartenmöbeln - werden durch die Umwandlung von Propan in Propylen hergestellt. Eine Studie aus dem Jahr 2021, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurde, zeigte, dass Chemiker Tandemkatalysatoren im Nanomaßstab verwenden können, um mehrere Schritte des Prozesses in eine einzige Reaktion zu integrieren - eine Möglichkeit für Unternehmen, die Ausbeute zu erhöhen und Geld zu sparen. Es war jedoch unklar, was auf atomarer Ebene geschah, so dass es schwierig war, die Technik auf andere wichtige industrielle Prozesse anzuwenden.
Assistenzprofessor Siddharth Deshpande und Doktorandin Snehitha Srirangam nutzen Datenvisualisierungen, um aufzuzeigen, was auf atomarer Ebene geschieht, wenn Katalysatoren Schiefergas in Polypropylen umwandeln. Die von ihnen entwickelten neuen Algorithmen könnten zu effizienteren Verfahren für die Herstellung von Alltagsprodukten führen.
University of Rochester photo / J. Adam Fenster
Forscher der University of Rochester entwickelten Algorithmen, die die wichtigsten atomaren Merkmale aufzeigen, die die komplexe Chemie bei der Umwandlung von Propan in Propylen durch nanoskalige Katalysatoren steuern. In einer Studie, die im Journal of the American Chemical Society veröffentlicht wurde, erörtern sie diese komplizierten Reaktionen, die durch Materialien in verschiedenen Zuständen erschwert werden.
"Es gibt so viele verschiedene Möglichkeiten, was an den aktiven Stellen der Katalysatoren passiert, dass wir einen algorithmischen Ansatz brauchen, um die große Anzahl der Möglichkeiten einfach und logisch zu durchforsten und uns auf die wichtigsten zu konzentrieren", sagt Siddharth Deshpande, Assistenzprofessor im Fachbereich Chemie- und Nachhaltigkeitstechnik. "Wir haben unsere Algorithmen verfeinert und sie für eine sehr detaillierte Analyse der metallischen Phase und der Oxidphase verwendet, die diese sehr komplexe Reaktion antreiben."
Desphande und seine Doktorandin in Chemieingenieurwesen, Snehitha Srirangam, fanden bei ihrer Analyse einige Überraschungen. Das Oxid wuchs bei der chemischen Reaktion sehr selektiv um defekte Metallstellen herum, was sich als entscheidend für die Stabilität des Katalysators erwies. Und obwohl das Oxid unter verschiedenen chemischen Zusammensetzungen existieren kann, verließ es nie wirklich seine Funktion, um die defekten Metallstellen herum zu sein.
Laut Deshpande können die Forscher dieses Wissen und die algorithmischen Ansätze des Teams nutzen, um die atomare Struktur anderer chemischer Reaktionen wie der Methanolsynthese zu verstehen, die für Produkte von Farben bis hin zu Brennstoffzellen verwendet wird. Er glaubt, dass dies Unternehmen helfen könnte, strategisch nach effizienteren Wegen zur Herstellung von Propylen und anderen industriellen Materialien zu suchen und sich weniger auf die seit Jahrzehnten verwendeten Versuch-und-Irrtum-Methoden zu verlassen.
"Unser Ansatz ist sehr allgemein und kann die Türen zum Verständnis vieler dieser Prozesse öffnen, die seit Jahrzehnten ein Rätsel bleiben", sagt Deshpande. "Wir wissen, dass diese Prozesse funktionieren, und wir produzieren Tonnen dieser Chemikalien, aber wir müssen noch viel darüber lernen, warum sie genau funktionieren."
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