В качестве аванса, который они считают прорывом в исследованиях вычислительной химии, инженеры-химики Университета Висконсин-Мэдисон разработали модель того, как каталитические реакции работают в атомном масштабе. Это понимание может позволить инженерам и химикам разрабатывать более эффективные катализаторы и настраивать промышленные процессы — потенциально с огромной экономией энергии, учитывая, что 90% продуктов, с которыми мы сталкиваемся в нашей жизни, производятся, по крайней мере частично, с помощью катализа.
Каталитические материалы ускоряют химические реакции, не претерпевая при этом самих изменений. Они имеют решающее значение для переработки нефтепродуктов и производства фармацевтических препаратов, пластмасс, пищевых добавок, удобрений, зеленого топлива, промышленных химикатов и многого другого.
Ученые и инженеры десятилетиями оттачивали каталитические реакции, но, поскольку в настоящее время невозможно напрямую наблюдать за этими реакциями при экстремальных температурах и давлениях, часто используемых в катализе в промышленных масштабах, они не знали точно, что происходит в нанотехнологиях. и атомные весы. Это новое исследование помогает разгадать эту тайну с потенциально серьезными последствиями для промышленности.
На самом деле всего три каталитические реакции — паровая конверсия метана для производства водорода, синтез аммиака для производства удобрений и синтез метанола — потребляют около 10% мировой энергии.
«Если вы уменьшите температуру, при которой вам приходится проводить эти реакции, всего на несколько градусов, потребность в энергии, с которой мы сегодня сталкиваемся, столкнется с человечеством, значительно уменьшится», — говорит Манос Маврикакис, профессор химической и биологической инженерии в UW-Madison, который руководил исследованием. «Уменьшая потребность в энергии для запуска всех этих процессов, вы также уменьшаете их воздействие на окружающую среду».
Маврикакис и постдокторские исследователи Ланг Сюй и Константинос Г. Папаниколау вместе с аспиранткой Лизой Дже опубликовали новость о своем продвижении в выпуске журнала Science от 7 апреля 2023 года .
В своих исследованиях инженеры UW-Madison разрабатывают и используют мощные методы моделирования для имитации каталитических реакций в атомном масштабе. Для этого исследования они рассмотрели реакции с участием катализаторов из переходных металлов в форме наночастиц, которые включают такие элементы, как платина, палладий, родий, медь, никель и другие, важные в промышленности и зеленой энергетике.
Согласно современной модели катализа с жесткой поверхностью, плотно упакованные атомы катализаторов на основе переходных металлов обеспечивают двумерную поверхность, к которой химические реагенты прилипают и участвуют в реакциях. Когда применяется достаточное давление, тепло или электричество, связи между атомами в химических реагентах разрываются, позволяя фрагментам рекомбинировать в новые химические продукты.
«Преобладающее предположение состоит в том, что эти атомы металлов прочно связаны друг с другом и просто обеспечивают «места посадки» для реагентов. Все предполагали, что связи между металлами остаются неповрежденными во время реакций, которые они катализируют», — говорит Маврикакис. «Итак, здесь мы впервые задали вопрос: может ли энергия разрыва связей в реагентах быть такой же, как энергия, необходимая для разрыва связей внутри катализатора?»
Согласно моделированию Маврикакиса, ответ положительный. Энергии, необходимой для протекания многих каталитических процессов, достаточно, чтобы разорвать связи и позволить отдельным атомам металла (известным как адатомы) отделиться и начать движение по поверхности катализатора. Эти адатомы объединяются в кластеры, которые служат местами на катализаторе, где химические реакции могут протекать намного легче, чем исходная жесткая поверхность катализатора.
Используя набор специальных расчетов, группа изучила промышленно важные взаимодействия восьми катализаторов на основе переходных металлов и 18 реагентов, определив энергетические уровни и температуры, которые могут привести к образованию таких небольших металлических кластеров, а также число атомов в каждом кластере, которое также может резко влияют на скорость реакции.
Их коллеги-экспериментаторы из Калифорнийского университета в Беркли использовали сканирующую туннельную микроскопию с атомарным разрешением, чтобы изучить адсорбцию монооксида углерода на никеле (111), стабильной кристаллической форме никеля, используемой в катализе. Их эксперименты подтвердили модели, которые показали, что различные дефекты в структуре катализатора также могут влиять на то, как отдельные атомы металла высвобождаются, а также на то, как формируются реакционные центры.
Маврикакис говорит, что новая структура бросает вызов тому, как исследователи понимают катализ и как он происходит. Это может относиться и к другим неметаллическим катализаторам, которые он исследует в своей будущей работе. Это также важно для понимания других важных явлений, включая коррозию и трибологию или взаимодействие поверхностей в движении.
«Мы пересматриваем некоторые очень хорошо зарекомендовавшие себя предположения, чтобы понять, как работают катализаторы и, в более общем плане, как молекулы взаимодействуют с твердыми телами», — говорит Маврикакис.
Манос Маврикакис — почетный председатель Эрнеста Мичека, профессор Джеймса А. Думесика и почетный профессор Виласа в области химической и биологической инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон.
Другие авторы включают Барбару А. Дж. Лехнер из Мюнхенского технического университета, а также Габора А. Соморжаи и Микеля Салмерона из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Калифорнийского университета в Беркли.
Авторы выражают благодарность Министерству энергетики США, Отделу фундаментальных энергетических наук, Отделу химических наук, Научной программы по катализу, Грант DE-FG02-05ER15731; Управление фундаментальных энергетических наук, Отдел материаловедения и инженерии, Министерства энергетики США по контракту №. DE-AC02-05CH11231, через программу «Структура и динамика материалов» (FWP KC31SM).
Маврикакис признателен Институту Миллера в Калифорнийском университете в Беркли за финансовую поддержку в виде приглашенного профессора Миллера на кафедре химии.
