在过去的 20 年里，人们一直在努力减少塑料制造中的化石燃料使用，并且据宾夕法尼亚州立大学的研究人员称，还有高效、可定制的催化反应——其中两种金属使用催化剂或分子结合在一起在反应期间保持不变 - 是一个有吸引力的选择。

研究人员已经找到了一种通过控制催化剂表面上每个原子的位置来减少催化反应的浪费和更具成本效益的方法。控制或定制催化剂可减少不必要的竞争反应，并分离出成功的、可预测的反应。这些结果发表在《自然化学》上。

“通过在惰性主体中分离活性金属，并精确控制金属的确切比例，我们可以获得两种金属原子的目标模式，”宾夕法尼亚州立大学化学工程教授和联合首席研究员 Michael Janik 说。研究。

研究人员使用钯作为活性催化剂组分和锌作为惰性主体，形成一种金属间化合物，一种具有两种或多种金属原子以重复模式排列的化合物。

由 Janik 和联合首席研究员、宾夕法尼亚州立大学 Friedrich G. Helfferich 化学工程教授 Robert Rioux 领导的研究人员测试了不同数量的锌和钯，发现不同比例的锌与钯具有很大不同的催化反应性。

研究人员调整了钯与锌的比例，以形成仅包含孤立的钯单体和三聚体或三个相邻原子簇的表面。他们证明，钯单体和三聚体都可以将乙炔加氢或添加氢气，从而产生乙烯，这是一种加工塑料所需的气体。

但在该过程中，钯三聚体还催化了乙烯加氢反应，这是一种不希望的结果，因此排除了使用三聚体的可能性。然而，被锌原子包围的孤立的钯单体是选择性加氢乙炔的有效构型。

由于他们在这篇论文上的工作，Janik、Rioux 和他们的合作者在 2019 年从能源部获得了 120 万美元的赠款，目标是将该科学扩展到新的应用中。

“我们将使用计算建模和机器学习来预测其他金属间化合物的设计，这些金属间化合物将以独特的配置排列一定数量的金属原子，”Janik 说。“我们现在正试图找到两种金属的其他组合，使我们能够控制两种金属原子的排列。”

宾夕法尼亚州立大学和卡内基梅隆大学的 Janik、Rioux 及其合作者现在正在使用数据科学方法来发现其他具有精确和可调反应位点的金属间化合物催化剂。他们与 CMU 化学工程副教授 Zachary Ulissi 合作编写了一个公开可用的 Web 应用程序，称为Nuclearity Zoo，它可以计算活性和非活性金属的任意组合的排列和形状，并列出它们所有潜在的原子排列。该应用程序使用图论方法对活动站点的形状和大小进行分类。

“例如，有 237 种方法可以将钯与锌结合得到一对分离的钯原子，”Janik 说，他指的是网络应用程序在输入两种金属时的结果。“然后你可以下载每个排列的原子结构。”

该研究小组现在正在使用应用程序和数据科学方法来计算预测许多工业上重要反应的活性和选择性催化剂。

国家科学基金会和能源部为这项工作提供了支持。

宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授 Zi-Kui Liu 与宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程研究生 Rushi Gong 和 Shun-Li Shang 共同参与了这项研究。其他贡献者包括宾夕法尼亚州立大学化学工程专业的研究生 Anish Dasgupta、Haoran He 和 Eric K. Zimmerer，以及埃克森美孚的研究员 Randall J. Meyer。