Nowy przełom w katalizie może doprowadzić do ogromnych oszczędności energii

Inżynierowie chemicy z University of Wisconsin-Madison dokonali przełomu w chemii obliczeniowej, opracowując model reakcji katalitycznych na poziomie atomowym. To nowe zrozumienie może prowadzić do bardziej wydajnych katalizatorów, dostrojonych procesów przemysłowych i znacznych oszczędności energii, ponieważ katalizator odgrywa kluczową rolę w wytwarzaniu 90% produktów, z którymi spotykamy się w naszym życiu.

W wielkim przełomie w chemii obliczeniowej inżynierowie chemicy z University of Wisconsin-Madison stworzyli model, który pokazuje, jak przebiegają reakcje katalityczne na poziomie atomowym. To nowo odkryte zrozumienie może umożliwić inżynierom i chemikom projektowanie ulepszonych katalizatorów i ulepszanie procedur przemysłowych, co potencjalnie może skutkować ogromnymi oszczędnościami energii, ponieważ kataliza jest zaangażowana w produkcję 90% produktów, których używamy na co dzień.

Langa Shawa. Źródło: Uniwersytet Wisconsin-Madison

Katalizatory przyspieszają reakcje chemiczne, same nie ulegając zmianom. Odgrywają ważną rolę w przetwórstwie produktów ropopochodnych i produkcji szerokiej gamy artykułów, w tym leków, tworzyw sztucznych, dodatków do żywności, nawozów, paliw przyjaznych dla środowiska i różnych chemikaliów przemysłowych.

Naukowcy i inżynierowie spędzili dziesięciolecia na dostrajaniu reakcji katalitycznych – ale ponieważ obecnie nie można bezpośrednio obserwować tych reakcji w ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach często związanych z katalizą na skalę przemysłową, nie wiedzieli dokładnie, co dzieje się na nano i atomach. waga. Te nowe badania pomagają rozwikłać tę tajemnicę z potencjalnie ogromnymi konsekwencjami dla branży.

W rzeczywistości tylko trzy reakcje katalityczne — reformacja pary i metanu w celu wytworzenia wodoru, synteza amoniaku w celu wytworzenia nawozu oraz synteza metanolu — zużywają prawie 10% światowej energii.

mówi Manos Mavrikakis, profesor inżynierii chemicznej i biologicznej w Madison, który kierował badaniami. „Redukując energię potrzebną do uruchomienia wszystkich tych procesów, zmniejszasz również ich wpływ na środowisko”.

Mavrikakis i badacze z tytułem doktora Lang Xu i Konstantinos G. Papanicolaou wraz ze studentką Lisą G publikują wiadomości o swoich postępach w czasopiśmie z 7 kwietnia 2023 r. nauki.

Manu Mavrikakisa. Źródło: Uniwersytet Wisconsin-Madison

W swoich badaniach inżynierowie z University of Washington Madison opracowali i wykorzystali solidne techniki modelowania do symulacji reakcji katalitycznych na poziomie atomowym. W tym badaniu przyjrzeli się reakcjom z udziałem katalizatorów metali przejściowych w postaci nanocząstek, które obejmują pierwiastki takie jak platyna, pallad, rod, miedź, nikiel i inne ważne dla przemysłu i zielonej energii.

Zgodnie z obecnym modelem katalizy na powierzchni stałej, ciasno upakowane atomy katalizatorów metali przejściowych zapewniają dwuwymiarową powierzchnię, do której przylegają reagenty chemiczne i uczestniczą w reakcjach. Po zastosowaniu wystarczającego ciśnienia, ciepła lub elektryczności wiązania między atomami w reagentach chemicznych pękają, umożliwiając fragmentom rekombinację w nowe produkty chemiczne.

„Przeważającym założeniem jest to, że te atomy metali są silnie ze sobą związane i po prostu zapewniają” punkty lądowania „reagentom. Wszyscy zakładali, że wiązania metal-metal pozostają nienaruszone podczas reakcji, które katalizują” – mówi Mavrikakis. „Więc tutaj, po raz pierwszy zadaliśmy pytanie: „Czy energia, która rozrywa wiązania w reagentach, może być tej samej wielkości, co energia potrzebna do rozerwania wiązań w katalizatorze?”

Zgodnie z modelowaniem Mavrikakisa odpowiedź brzmi „tak”. Energia dostarczana do wielu procesów katalitycznych jest wystarczająca do zerwania wiązań i umożliwienia rozdzielenia się pojedynczych atomów metali (zwanych adatomami) i rozpoczęcia przemieszczania się po powierzchni katalizatora. Te adatomy łączą się w klastry, które działają jak miejsca na katalizatorze, w których reakcje chemiczne mogą zachodzić znacznie łatwiej niż pierwotna stała powierzchnia katalizatora.

Wykorzystując kombinację specjalnych obliczeń, zespół przyjrzał się ważnym przemysłowo interakcjom ośmiu katalizatorów metali przejściowych i 18 reagentów, określając poziomy energii i temperatury, które mogą tworzyć takie małe klastry metali, a także liczbę atomów w każdej grupie, które może również wpływać na szybkość reakcji Great.

Ich współpracownicy eksperymentalni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykorzystali atomową skaningową mikroskopię tunelową do zbadania adsorpcji tlenku węgla na niklu (111), stabilnej krystalicznej postaci niklu przydatnej w katalizie. Ich eksperymenty potwierdziły, że modele wykazujące różne defekty w strukturze katalizatora mogą również wpływać na to, jak dysocjują pojedyncze atomy metalu, a także jak powstają miejsca reakcji.

Mavrikakis mówi, że nowe ramy podważają podstawy tego, jak naukowcy rozumieją katalizę i jak ona zachodzi. Może to również dotyczyć innych katalizatorów niemetalicznych, które będzie badał w przyszłych pracach. Jest to również istotne dla zrozumienia innych ważnych zjawisk, w tym erozji i tribologii lub interakcji ruchomych powierzchni.

„Powracamy do niektórych bardzo dobrze ugruntowanych założeń, aby zrozumieć, jak działają katalizatory i, bardziej ogólnie, jak cząsteczki wchodzą w interakcje z ciałami stałymi” – mówi Mavrikakis.

Odniesienie: „Tworzenie aktywnych miejsc na metalach przejściowych poprzez migrację atomów powierzchniowych wywołaną reakcją” Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A. Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 6 kwietnia 2023 r. Dostępne tutaj. nauki.
DOI: 10.1126/science.add0089

Autorzy dziękują za wsparcie ze strony Departamentu Energii USA, Podstawowych Nauk o Energii, Wydziału Nauk Chemicznych i Programu Nauki o Katalizie, Grant DE-FG02-05ER15731; Office of Basic Energy Sciences, Division of Material Science and Engineering, U.S. Department of Energy na podstawie umowy nr. DE-AC02-05CH11231, opracowany przez program Struktura i dynamika interfejsów materiałów (FWP KC31SM).

Mavrikakis dziękuje za wsparcie finansowe Instytutu Millera na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley za pośrednictwem profesora wizytującego Millera na Wydziale Chemii.

Zespół wykorzystał również National Energy Research Scientific Computing Center, obiekt DOE Office of Science User Facility wspierany przez Biuro Naukowe Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w ramach umowy nr DE-AC02-05CH11231 z wykorzystaniem nagrody NERSC BES — ERCAP0022773.

Część prac obliczeniowych została wykonana przy użyciu zasobów superkomputerowych w Centrum Nanomateriałów, biurze DOE Science User Facility znajdującym się w Argonne National Laboratory, przy wsparciu kontraktu DOE DE-AC02-06CH11357.