Z wyprzedzeniem, które uważają za przełom w badaniach chemii obliczeniowej, inżynierowie chemicy z University of Wisconsin-Madison opracowali model działania reakcji katalitycznych w skali atomowej. To zrozumienie może pozwolić inżynierom i chemikom na opracowanie wydajniejszych katalizatorów i dostrojenie procesów przemysłowych – potencjalnie z ogromnymi oszczędnościami energii, biorąc pod uwagę, że 90% produktów, z którymi spotykamy się w naszym życiu, jest wytwarzanych, przynajmniej częściowo, poprzez katalizę.
Materiały katalizatorów przyspieszają reakcje chemiczne, nie ulegając zmianom. Są one niezbędne do rafinacji produktów ropopochodnych oraz do produkcji farmaceutyków, tworzyw sztucznych, dodatków do żywności, nawozów, ekologicznych paliw, chemikaliów przemysłowych i wielu innych.
Naukowcy i inżynierowie spędzili dziesięciolecia na dostrajaniu reakcji katalitycznych – ale ponieważ obecnie nie można bezpośrednio obserwować tych reakcji w ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach często występujących w katalizie na skalę przemysłową, nie wiedzieli dokładnie, co dzieje się w nano i skale atomowe. Te nowe badania pomagają rozwikłać tę tajemnicę z potencjalnie poważnymi konsekwencjami dla przemysłu.
W rzeczywistości tylko trzy reakcje katalityczne – reforming parowo-metanowy w celu wytworzenia wodoru, synteza amoniaku w celu wytworzenia nawozu i synteza metanolu – zużywają blisko 10% światowej energii.
„Jeśli obniżysz temperatury, w których musisz prowadzić te reakcje, tylko o kilka stopni, nastąpi ogromny spadek zapotrzebowania na energię, przed którym stoimy jako ludzkość” – mówi Manos Mavrikakis, profesor inżynierii chemicznej i biologicznej w UW-Madison, który prowadził badania. „Zmniejszając zapotrzebowanie na energię do uruchomienia wszystkich tych procesów, zmniejszasz również ich wpływ na środowisko”.
Mavrikakis i badacze z tytułem doktora Lang Xu i Konstantinos G. Papanikolaou wraz ze studentką Lisą Je opublikowali wiadomości o swoim postępie w czasopiśmie Science z 7 kwietnia 2023 r.
W swoich badaniach inżynierowie UW-Madison opracowują i wykorzystują zaawansowane techniki modelowania do symulacji reakcji katalitycznych w skali atomowej. 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 w przemyśle i zielonej energii.
Zgodnie z obecnym modelem katalizy ze sztywną powierzchnią, ciasno upakowane atomy katalizatorów metali przejściowych zapewniają dwuwymiarową powierzchnię, do której przylegają reagenty chemiczne i uczestniczą w reakcjach. Po przyłożeniu wystarczającego ciśnienia i 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 związane ze sobą i po prostu zapewniają„ miejsca lądowania ”reagentów. Wszyscy zakładali, że wiązania metal-metal pozostają nienaruszone podczas reakcji, które katalizują”, mówi Mavrikakis. „Więc tutaj po raz pierwszy zadaliśmy pytanie:„ Czy energia do rozerwania wiązań w reagentach może być podobna do energii potrzebnej do rozerwania wiązań w katalizatorze?
Zgodnie z modelowaniem Mavrikakisa odpowiedź brzmi „tak”. Energia dostarczona do wielu procesów katalitycznych jest wystarczająca do zerwania wiązań i umożliwienia pojedynczym atomom metalu (znanym jako adatom) uwolnienie się i rozpoczęcie przemieszczania się po powierzchni katalizatora. Te adatomy łączą się w klastry, które służą jako miejsca na katalizatorze, w których reakcje chemiczne mogą zachodzić znacznie łatwiej niż na pierwotnej sztywnej powierzchni katalizatora.
Korzystając z zestawu specjalnych obliczeń, zespół przyjrzał się ważnym przemysłowo interakcjom ośmiu katalizatorów metali przejściowych i 18 reagentów, identyfikując poziomy energii i temperatury, które mogą tworzyć takie małe klastry metali, a także liczbę atomów w każdym klastrze, które mogą również dramatycznie wpływają na szybkość reakcji.
Ich współpracownicy eksperymentalni z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley wykorzystali skaningową mikroskopię tunelową o rozdzielczości atomowej, aby przyjrzeć się adsorpcji tlenku węgla na niklu (111), stabilnej, krystalicznej postaci niklu przydatnej w katalizie. Ich eksperymenty potwierdziły modele, które wykazały, że różne defekty w strukturze katalizatora mogą również wpływać na to, jak pojedyncze atomy metalu pękają, a także jak tworzą się miejsca reakcji.
Mavrikakis mówi, że nowe ramy kwestionują podstawy tego, jak naukowcy rozumieją katalizę i jak ona zachodzi. Może to dotyczyć również innych katalizatorów niemetalicznych, które będzie badał w przyszłych pracach. Jest to również istotne dla zrozumienia innych ważnych zjawisk, w tym korozji i tribologii lub interakcji powierzchni w ruchu.
„Wracamy do niektórych bardzo dobrze ugruntowanych założeń, aby zrozumieć, jak działają katalizatory i, bardziej ogólnie, jak cząsteczki oddziałują z ciałami stałymi” – mówi Mavrikakis.
Manos Mavrikakis jest wybitnym przewodniczącym Ernesta Miceka, profesorem Jamesem A. Dumesicem i wybitnym profesorem Vilasa zajmującym się inżynierią chemiczną i biologiczną na Uniwersytecie Wisconsin-Madison.
Inni autorzy to Barbara AJ Lechner z Uniwersytetu Technicznego w Monachium oraz Gabor A. Somorjai i Miquel Salmeron z Lawrence Berkeley National Laboratory i University of California w Berkeley.
Autorzy dziękują za wsparcie Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, Podstawowe Nauki o Energii, Wydział Nauk Chemicznych, Program Nauki o Katalizie, Grant DE-FG02-05ER15731; Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering, Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych na podstawie umowy nr. DE-AC02-05CH11231, za pośrednictwem programu Struktura i dynamika interfejsów materiałów (FWP KC31SM).
Mavrikakis dziękuje za wsparcie finansowe Instytutu Millera na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley poprzez profesurę wizytującą Millera na Wydziale Chemii.
Zespół wykorzystał również National Energy Research Scientific Computing Center, obiekt DOE Office of Science User Facility wspierany przez Office of Science of the US Department of Energy w ramach kontraktu nr DE-AC02-05CH11231, korzystając z nagrody NERSC BES-ERCAP0022773.
Część prac obliczeniowych została przeprowadzona przy użyciu zasobów superkomputerowych w Centrum Materiałów Nanoskalowych, obiekcie DOE Office of Science User Facility zlokalizowanym w Argonne National Laboratory, wspieranym przez kontrakt DOE DE-AC02-06CH11357.