塔夫茨大学、伦敦大学学院(UCL)、剑桥大学和加州大学圣巴巴拉分校的研究人员已经证明催化剂确实可以成为变革的推动者。在近日发表在《科学》杂志上的一项研究中，他们使用超级计算机运行量子化学模拟来预测新的催化剂结构以及它与某些化学品的相互作用，并在实践中证明了其生产丙烯的能力。目前这种原料供不应求，它是塑料、纺织品和其他化学品生产中所必须的化学物质。这些改进具有实现高效、更环保、碳足迹更低的潜力。

中国对丙烯的需求约为每年1亿吨(价值约2000亿美元)，目前根本无法满足激增的需求。它的生产规模仅次于硫酸和乙烯，是化工行业第三大转化工艺。生产丙烯和乙烯最常用的方法是蒸汽裂解，其产出率限制在85%以内，是化学工业中能源最密集的过程之一。生产丙烯的传统原料是石油和天然气的副产品，但向页岩气的转变限制了丙烯的产量。

页岩气中的丙烷用来生产丙烯所用的典型催化剂是由金属组合而成的，这些金属在原子水平上具有随机、复杂的结构。活性原子通常以不同的方式聚集在一起，这使得基于化学物质与催化剂表面如何进行相互作用的基本计算变得复杂，从而导致设计新的反应催化剂变得困难。

相比之下，由塔夫茨大学发现并于2012年首次在《科学》杂志上发表的单原子合金催化剂，将单个活性金属原子分散在更惰性的催化剂表面，其密度约为1个活性原子到100个惰性原子。这使得单个催化原子和正被处理的化学物质之间能够进行明确的相互作用，而不会被附近其他活性金属的外来相互作用所混合。由单原子合金催化的反应往往是清洁和高效的，并且正如在当前研究中所证明的，它们现在可以用理论的方法来预测。

Charles Sykes是塔夫茨大学化学系的教授，也是该研究的通讯作者。他说：“我们与伦敦大学学院和剑桥大学的合作者在超级计算机上使用的第一原理计算采用了一种新的方法来解决这个问题，这使我们能够预测将丙烷转化为丙烯的最佳催化剂是什么。”

这些计算导致了能对催化剂表面反应进行预测，并被原子尺度成像和在模型催化剂上运行的反应所证实。然后，研究人员合成了单原子合金纳米催化剂颗粒，并在工业条件下进行了相关测试。在这种特殊的应用中，分散在铜(Cu)表面的铑(Rh)原子对丙烷脱氢制丙烯效果最好。

Michail Stamatakis是伦敦大学学院化学工程副教授也是这项研究的共同通讯作者。他说：“改进常用的多相催化剂主要是一个反复试验的过程。单原子催化剂使我们能够从第一性原理计算分子和原子在催化表面如何相互作用，从而预测反应结果。在这种情况下，我们预测Rh元素可以非常有效地从甲烷和丙烷等分子中分离氢。这个预测与常识相悖，但能在实践中证明是个令人难以置信的成功。这为催化剂的合理设计提供了一种新方法。”

单原子Rh催化剂是高效的，可以100%选择性地生产丙烯产品，而目前工业丙烯生产中催化剂的选择性为90%。其中选择性指的是表面反应导致所需产品的比例。Sykes说：“如果工业中采用这种效率水平，可以节省大量成本，并避免数百万吨二氧化碳排放到大气中。”

单原子合金催化剂不仅效率更高，而且易于在更温和的条件和更低的温度下进行反应，因此比传统催化剂需要更少的能量。它们的生产成本也更低，只需要少量的贵金属(如铂或铑)，这些贵金属可能非常昂贵。例如，铑的价格目前约为每盎司22000美元，而催化剂中99%都是铜，价格仅为每盎司30美分。新的铑/铜单原子合金催化剂也耐结焦，这是一个普遍存在的问题，在工业催化反应中，高碳含量的中间体(基本上是煤烟)在催化剂表面聚集并开始抑制期望的反应。这些改进是降低碳足迹的“绿色”化学配方。

Sykes说：“这项工作进一步证明了单原子合金催化剂在解决催化剂行业低效问题方面的巨大潜力，这反过来又具有非常大的经济和环境收益。”（编译:Julien）