第一原理触媒スクリーニングを使用したエチレンエポキシ化における銀を超えて行く

エチレンのエポキシ化は、業界的および商業的に最も重要な選択的酸化の1つです。銀触媒は何十年もの間最先端であり、それらの効率は、ドーパントと共触媒の経験的発見とともに着実に改善しています。本明細書では、周期表の金属の計算スクリーニングを実行し、将来の優れた触媒を特定し、Ag/Cupb、Ag/CUCD、Ag/Cutlが純粋な触媒を上回ることを実験的に実証しますが、簡単にスケーラブルな合成プロトコルを付与します。。さらに、触媒の計算主導の発見の可能性を完全に活用するために、関連するin situ条件を含めることが不可欠であることが不可欠であり、たとえば、表面の酸化、寄生虫副反応、エチレンエポキシド分解は、そのような効果を無視することは誤った予測につながるためです。AB Initioの計算、スケーリング関係、および厳密な反応器のマイクロキネティックモデリングを組み合わせます。これは、不変の触媒表面の従来の単純化された定常状態または速度決定モデリングを超えています。モデリングの洞察により、新しい触媒を統合し、理論的に実験的所見を理解することができ、したがって、第一原理シミュレーションと産業用途とのギャップを埋めることができました。計算触媒設計を簡単に拡張して、より大きな反応ネットワークや表面酸化などのその他の効果を含めることができることを示します。実現可能性は、実験的合意によって確認されました。

Ethylene epoxidation is industrially and commercially one of the most important selective oxidations. Silver catalysts have been state-of-the-art for decades, their efficiency steadily improving with empirical discoveries of dopants and co-catalysts. Herein, we perform a computational screening of the metals in the periodic table, identify prospective superior catalysts and experimentally demonstrate that Ag/CuPb, Ag/CuCd and Ag/CuTl outperform the pure-Ag catalysts, while they still confer an easily scalable synthesis protocol. Furthermore, we show that to harness the potential of computationally-led discovery of catalysts fully, it is essential to include the relevant in situ conditions e.g., surface oxidation, parasitic side reactions and ethylene epoxide decomposition, as neglecting such effects leads to erroneous predictions. We combine ab initio calculations, scaling relations, and rigorous reactor microkinetic modelling, which goes beyond conventional simplified steady-state or rate-determining modelling on immutable catalyst surfaces. The modelling insights have enabled us to both synthesise novel catalysts and theoretically understand experimental findings, thus, bridging the gap between first-principles simulations and industrial applications. We show that the computational catalyst design can be easily extended to include larger reaction networks and other effects, such as surface oxidations. The feasibility was confirmed by experimental agreement.