Алгоритмы раскрыли секрет превращения пропана в пропилен для производства пластика

Бессчётное количество повседневных товаров — от пластиковых бутылок до садовой мебели — производятся из пропилена, который получают из пропана.

Исследование 2021 года показало, что химики могут использовать тандемные наноразмерные катализаторы для объединения нескольких этапов процесса в одну реакцию — это позволяет компаниям увеличить выход продукта и сэкономить деньги. Однако оставалось неясным, что именно происходит на атомном уровне, что затрудняло применение этой методики к другим ключевым промышленным процессам.

Исследователи из Рочестерского университета разработали алгоритмы, которые показывают ключевые атомные особенности, управляющие сложной химией, когда наноразмерные катализаторы превращают пропан в пропилен.

В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, они обсуждают эти сложные реакции, которые осложняются материалами, находящимися в нескольких состояниях.

«Существует так много различных вариантов того, что происходит на каталитических активных центрах, что нам нужен алгоритмический подход, чтобы очень легко, но логично просеять большое количество существующих возможностей и сосредоточиться на самых важных из них», — говорит Сиддхарт Дешпанде, доцент кафедры химической инженерии и устойчивого развития. — Мы усовершенствовали наши алгоритмы и использовали их для очень детального анализа металлической и оксидной фаз, управляющих этой чрезвычайно сложной реакцией».

Дешпанде и его аспирант Снехита Срирангам обнаружили в своём анализе несколько неожиданностей. Оксид в химической реакции предпочитал очень избирательно образовываться вокруг дефектных металлических участков, что оказалось критически важным для стабильности катализатора. И хотя оксид может существовать в различных химических составах, он никогда не переставал выполнять свою функцию нахождения вокруг дефектных металлических участков.

По словам Дешпанде, исследователи могут использовать эти знания и алгоритмические подходы команды для понимания атомной структуры других химических реакций, таких как синтез метанола, используемого для продуктов от красок до топливных элементов. В конечном счёте, он считает, что это может помочь компаниям стратегически искать более эффективные способы производства пропилена и других промышленных материалов и меньше полагаться на методы проб и ошибок, которые они использовали на протяжении десятилетий.

«Наш подход очень универсален и может открыть двери для понимания многих из этих процессов, которые оставались загадкой на протяжении десятилетий», — говорит Дешпанде. — Мы знаем, что эти процессы работают, и мы производим тонны этих химикатов, но нам ещё многое предстоит узнать о том, почему именно они работают».

ИИ: В 2025 году такие исследования особенно актуальны, поскольку промышленность продолжает искать пути снижения энергозатрат и повышения эффективности химических процессов. Алгоритмический подход к пониманию атомных механизмов может ускорить разработку новых катализаторов и сделать производство многих привычных материалов более экологичным.