V rámci veľkého prelomu vo výpočtovej chémii vytvorili chemickí inžinieri z University of Wisconsin-Madison model, ktorý ukazuje, ako fungujú katalytické reakcie na atómovej úrovni. Toto novoobjavené porozumenie by mohlo umožniť inžinierom a chemikom navrhnúť vylepšené katalyzátory a zlepšiť priemyselné postupy, čo môže viesť k obrovským úsporám energie, keďže katalýza sa podieľa na výrobe 90 % produktov, ktoré používame každý deň.

Lang Shaw. Poďakovanie: University of Wisconsin-Madison

Katalyzátory urýchľujú chemické reakcie bez toho, aby sami podliehali zmenám. Zohrávajú dôležitú úlohu pri spracovaní ropných produktov a výrobe širokého spektra položiek vrátane liekov, plastov, potravinárskych prísad, hnojív, ekologických palív a rôznych priemyselných chemikálií.

Vedci a inžinieri strávili desaťročia ladením katalytických reakcií – ale keďže v súčasnosti nie je možné priamo pozorovať tieto reakcie pri extrémnych teplotách a tlakoch, ktoré sú často spojené s katalýzou v priemyselnom meradle, nevedeli presne, čo sa deje na nano a atómovom váhy. Tento nový výskum pomáha odhaliť túto záhadu s potenciálne obrovskými dôsledkami pre priemysel.

V skutočnosti len tri katalytické reakcie – premena pary a metánu na výrobu vodíka, syntéza čpavku na výrobu hnojiva a syntéza metanolu – spotrebujú takmer 10 % svetovej energie.

hovorí Manos Mavrikakis, profesor chemického a biologického inžinierstva v Madisone, ktorý viedol výskum. „Znížením energie, ktorú potrebujete na spustenie všetkých týchto procesov, znížite aj ich vplyv na životné prostredie.“

Mavrikakis a postdoktorandi Lang Xu a Konstantinos G. Papanicolaou spolu s postgraduálnou študentkou Lisou G uverejňujú správy o svojom pokroku vo vydaní časopisu 7. apríla 2023 vedy.

Manu Mavrikakis. Poďakovanie: University of Wisconsin-Madison

Inžinieri z University of Washington Madison vo svojom výskume vyvinuli a použili robustné modelovacie techniky na simuláciu katalytických reakcií na atómovej úrovni. V tejto štúdii skúmali reakcie zahŕňajúce katalyzátory prechodných kovov vo forme nanočastíc, ktoré zahŕňajú prvky ako platina, paládium, ródium, meď, nikel a ďalšie dôležité pre priemysel a zelenú energiu.

Podľa súčasného modelu katalýzy na pevnom povrchu poskytujú tesne zbalené atómy katalyzátorov prechodných kovov dvojrozmerný povrch, ku ktorému priľnú chemické reaktanty a zúčastňujú sa reakcií. Keď sa aplikuje dostatočný tlak, teplo alebo elektrina, väzby medzi atómami v chemických reaktantoch sa prerušia, čo umožní fragmentom rekombináciu do nových chemických produktov.

„Prevládajúci predpoklad je, že tieto atómy kovu sú spolu silne spojené a jednoducho poskytujú ‚pristávacie body‘ pre reaktanty. Všetci predpokladali, že väzby kov-kov zostávajú nedotknuté počas reakcií, ktoré katalyzujú,“ hovorí Mavrikakis. po prvýkrát sme položili otázku: „Mohla by energia, ktorá rozbije väzby v reaktantoch, mať rovnakú veľkosť ako energia potrebná na rozbitie väzieb v katalyzátore?“

Podľa Mavrikakis modelingu je odpoveď áno. Energia poskytnutá pre mnohé z katalytických procesov je dostatočná na to, aby prerušila väzby a umožnila samostatným kovovým atómom (známym ako adatómy) oddeliť sa a začať cestovať po povrchu katalyzátora. Tieto adatómy sa spájajú do zhlukov, ktoré pôsobia ako miesta na katalyzátore, kde môžu prebiehať chemické reakcie oveľa ľahšie ako pôvodný pevný povrch katalyzátora.

Pomocou kombinácie špeciálnych výpočtov sa tím zaoberal priemyselne dôležitými interakciami ôsmich katalyzátorov prechodných kovov a 18 reaktantov, pričom určil úrovne energie a teploty, ktoré pravdepodobne vytvoria takéto malé zhluky kovov, ako aj počet atómov v každej skupine, ktoré môže tiež ovplyvniť Great na rýchlosť reakcie.

Ich experimentálni spolupracovníci na Kalifornskej univerzite v Berkeley použili atómovú skenovaciu tunelovú mikroskopiu na preskúmanie adsorpcie oxidu uhoľnatého na nikel (111), stabilnú kryštalickú formu niklu užitočnú pri katalýze. Ich experimenty potvrdili, že modely, ktoré vykazovali rôzne defekty v štruktúre katalyzátora, mohli tiež ovplyvniť, ako sa jednotlivé atómy kovu disociujú, ako aj to, ako sa vytvárajú reakčné miesta.

Mavrikakis hovorí, že nový rámec spochybňuje základy toho, ako výskumníci chápu katalýzu a ako k nej dochádza. Môže sa vzťahovať aj na iné nekovové katalyzátory, ktoré bude skúmať v budúcej práci. Je to dôležité aj pre pochopenie iných dôležitých javov vrátane erózie a tribológie alebo interakcie pohyblivých povrchov.

„Prehodnocujeme niektoré veľmi dobre zavedené predpoklady, aby sme pochopili, ako fungujú katalyzátory a vo všeobecnosti, ako molekuly interagujú s pevnými látkami, “ hovorí Mavrikakis.

Odkaz: „Tvorba aktívnych miest na prechodných kovoch prostredníctvom migrácie povrchových atómov vyvolanej reakciou“ od Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A. Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 6. apríla 2023 Dostupné tu. vedy.
DOI: 10.1126/science.add0089

Autori oceňujú podporu Ministerstva energetiky USA, základných energetických vied, oddelenia chemických vied a programu vedy o katalýze, grant DE-FG02-05ER15731; Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Science and Engineering, Ministerstvo energetiky USA na základe zmluvy č. DE-AC02-05CH11231, programom Štruktúra a dynamika materiálových rozhraní (FWP KC31SM).

Mavrikakis oceňuje finančnú podporu od Millerovho inštitútu na UC Berkeley prostredníctvom hosťujúceho profesora Millera na katedre chémie.

Tím využíval aj National Energy Research Scientific Computing Center, používateľské zariadenie DOE Office of Science podporované Úradom vedy Ministerstva energetiky USA na základe zmluvy č. DE-AC02-05CH11231 s použitím ocenenia NERSC BES-ERCAP0022773.

Časť výpočtovej práce bola vykonaná pomocou superpočítačových zdrojov v Centre pre nanomateriály, pobočke DOE Science User Facility v Argonne National Laboratory, s podporou DOE kontraktu DE-AC02-06CH11357.