在过去的20年里，人们一直在努力减少塑料制造中对化石燃料的使用，根据宾夕法尼亚州立大学的研究人员的说法，高效的、可定制的催化反应——用一种催化剂或在反应过程中保持不变的分子将两种金属结合在一起——是一种有吸引力的替代品。

研究人员已经找到了一种方法，通过控制催化剂表面每个原子的位置来减少催化反应的浪费，提高成本效益。控制或定制催化剂可以减少不必要的竞争反应，分离出一个成功的、可预测的反应。这些结果发表在《自然化学》杂志上。

“通过将一种活性金属隔离在惰性宿主中，并精确控制金属的精确比例，我们可以得到两个金属原子的目标模式，”宾夕法尼亚州立大学化学工程教授、该研究的联合首席研究员迈克尔·雅尼克(Michael Janik)说。

研究人员使用作为活性催化剂成分的钯和作为惰性主体的锌来形成金属间化合物，这是一种由两种或两种以上金属原子以重复模式排列的化合物。

由Janik和宾夕法尼亚州立大学化学工程Friedrich G. Helfferich教授Robert Rioux领导的研究人员测试了不同数量的锌和钯，发现不同比例的锌和钯具有不同的催化活性。

研究人员调整了钯和锌的比例，形成了只包含孤立的钯单体和三聚体的表面，或三个相邻原子的簇。他们证明钯单体和三聚体都能使乙炔氢化，或者向乙炔中加入氢气，从而产生乙烯，一种加工塑料所需的气体。

但在此过程中，钯三聚体还催化了乙烯加氢反应，这是一个不希望出现的结果，因此排除了使用三聚体。然而，锌原子包围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中的工作，Janik、Rioux和他们的合作者在2019年从美国能源部获得了120万美元的资助，目标是将科学扩展到新的应用。

Janik说:“我们将使用计算机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结构排列一定数量的金属原子。”“我们现在正试图找到两种金属的其他组合，使我们能够控制这两个金属原子的排列。”

Janik, Rioux和他在宾夕法尼亚州立大学和卡内基梅隆大学的合作者们现在正在使用数据科学的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的化学工程副教授Zachary Ulissi合作，编写了一个公开的网络应用程序，名为核动物园，可以计算任何活性金属和非活性金属组合的排列和形状，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网站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，他引用了输入这两种金属后的网页应用结果。“然后你就可以下载每种排列的原子结构。”

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一些重要工业反应的活性和选择性催化剂。

[Provided by Pennsylvania State University]