프로판을 프로필렌으로 바꾸는 원자 수준 알고리즘 ^{CEFR B2}

로체스터 대학교 연구진은 프로판을 프로필렌으로 전환하는 복잡한 촉매 반응의 원자적 특징을 찾아내는 알고리즘을 개발해 Journal of the American Chemical Society에 발표했다. 프로필렌은 플라스틱 짜는 병과 야외 가구 같은 일상품의 출발 물질이므로, 이 반응의 원리 규명은 산업적 가치가 크다. 2021년 Science에 실린 기존 연구는 나노 크기 촉매를 이어 붙이는(tandem) 방식으로 여러 공정 단계를 한 번의 반응으로 결합해 수율을 높이고 비용을 낮출 수 있음을 보여주었다.

연구팀은 금속상과 산화물상 같이 서로 다른 상태로 존재하는 물질이 반응 경로를 복잡하게 만든다는 점을 주목했다. 가능한 원자 배열이 매우 많아 계산 스크리닝(computational screening)으로 후보 범위를 좁힌 뒤, 알고리즘적 방법으로 반응을 이끄는 핵심 원자 구조를 선별했다. 화학 및 지속가능성공학과의 조교수 Siddharth Deshpande는 다양한 촉매 활성 부위에서 가능한 경우의 수가 매우 많아 알고리즘적 선별이 필요하다고 설명했다.

Deshpande와 그의 박사과정 학생 Snehitha Srirangam은 산화물이 결함이 있는 금속 부위 주위에 선택적으로 성장하는 예상 밖의 현상을 발견했다. 이런 선택적 성장은 촉매의 안정성에 중요한 역할을 했고, 산화물은 화학적 조성이 달라져도 결함 있는 금속 부위와 연관된 상태를 유지하며 기능을 계속했다. 연구진은 이 알고리즘과 원자 수준의 통찰이 메탄올 합성 같은 다른 산업용 반응을 이해하고, 기업들이 프로필렌 등 물질을 더 효율적으로 생산하도록 돕는 데 기여할 수 있다고 말했다.

그들은 또한 이 접근법이 수십 년간 수수께끼로 남아 있던 많은 공정을 이해하는 문을 열 수 있다고 덧붙였다. 연구의 출처는 University of Rochester이다.