對催化的新原子尺度理解可以釋放大量能量

威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的化學(xué)工程師認(rèn)為在計(jì)算化學(xué)研究方面取得了突破，他們開發(fā)了一種模型，用于研究催化反應(yīng)在原子尺度上的工作原理。這種理解可以讓工程師和化學(xué)家開發(fā)更高效的催化劑并調(diào)整工業(yè)流程——考慮到我們在生活中遇到的90%的產(chǎn)品至少部分是通過催化生產(chǎn)的，因此可能會節(jié)省大量能源。

催化劑材料加速化學(xué)反應(yīng)而本身不發(fā)生變化。它們對于精煉石油產(chǎn)品以及制造藥品、塑料、食品添加劑、化肥、綠色燃料、工業(yè)化學(xué)品等至關(guān)重要。

科學(xué)家和工程師花了數(shù)十年時(shí)間對催化反應(yīng)進(jìn)行微調(diào)——然而，由于目前無法在工業(yè)規(guī)模催化通常涉及的極端溫度和壓力下直接觀察這些反應(yīng)，他們還不清楚納米和納米材料上發(fā)生了什么原子尺度。這項(xiàng)新研究有助于解開這個(gè)可能對行業(yè)產(chǎn)生重大影響的謎團(tuán)。

事實(shí)上，僅三個(gè)催化反應(yīng)——蒸汽-甲烷重整制氫、氨合成制肥和甲醇合成——就消耗了世界能源的近10%。

“如果你將這些反應(yīng)的溫度降低幾度，我們今天人類面臨的能源需求就會大大減少，”化學(xué)和生物工程學(xué)教授ManosMavrikakis說。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的威斯康星大學(xué)麥迪遜分校。“通過減少運(yùn)行所有這些過程所需的能源，你也在減少它們的環(huán)境足跡。”

Mavrikakis和博士后研究員LangXu和KonstantinosG.Papanikolaou以及研究生LisaJe在2023年4月7日的《科學(xué)》雜志上發(fā)表了他們?nèi)〉眠M(jìn)展的消息上發(fā)表了他們?nèi)〉眠M(jìn)展的消息。

在他們的研究中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的工程師開發(fā)并使用強(qiáng)大的建模技術(shù)來模擬原子級的催化反應(yīng)。在這項(xiàng)研究中，他們研究了涉及納米顆粒形式的過渡金屬催化劑的反應(yīng)，其中包括鉑、鈀、銠、銅、鎳以及其他在工業(yè)和綠色能源中重要的元素。

根據(jù)目前的催化剛性表面模型，過渡金屬催化劑的緊密堆積原子提供了化學(xué)反應(yīng)物附著并參與反應(yīng)的二維表面。當(dāng)施加足夠的壓力和熱量或電力時(shí)，化學(xué)反應(yīng)物中原子之間的鍵斷裂，使碎片重新組合成新的化學(xué)產(chǎn)品。

“普遍的假設(shè)是這些金屬原子彼此緊密結(jié)合，只是為反應(yīng)物提供‘著陸點(diǎn)’。每個(gè)人都假設(shè)金屬-金屬鍵在它們催化的反應(yīng)過程中保持完整，”Mavrikakis說。“所以在這里，我們第一次問了這樣一個(gè)問題，‘打破反應(yīng)物鍵的能量是否與破壞催化劑內(nèi)鍵所需的能量相似?’”

根據(jù)Mavrikakis的建模，答案是肯定的。為許多催化過程的發(fā)生提供的能量足以破壞化學(xué)鍵并允許單個(gè)金屬原子(稱為吸附原子)松散并開始在催化劑表面移動。這些吸附原子結(jié)合成簇，作為催化劑上的位點(diǎn)，化學(xué)反應(yīng)比催化劑的原始剛性表面更容易發(fā)生。

該團(tuán)隊(duì)使用一組特殊計(jì)算，研究了八種過渡金屬催化劑和18種反應(yīng)物在工業(yè)上重要的相互作用，確定了可能形成這種小金屬簇的能級和溫度，以及每個(gè)簇中的原子數(shù)，這也可以顯著影響反應(yīng)速率。

他們在加州大學(xué)伯克利分校的實(shí)驗(yàn)合作者使用原子分辨掃描隧道顯微鏡觀察鎳(111)上的一氧化碳吸附，鎳是一種穩(wěn)定的結(jié)晶形式，可用于催化。他們的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，模型顯示催化劑結(jié)構(gòu)中的各種缺陷也會影響單個(gè)金屬原子如何松動，以及反應(yīng)位點(diǎn)如何形成。

Mavrikakis說，新框架正在挑戰(zhàn)研究人員理解催化及其發(fā)生方式的基礎(chǔ)。它也可能適用于其他非金屬催化劑，他將在未來的工作中對此進(jìn)行研究。它還與理解其他重要現(xiàn)象有關(guān)，包括腐蝕和摩擦學(xué)，或運(yùn)動表面的相互作用。

Mavrikakis說：“我們正在重新審視一些非常成熟的假設(shè)，以了解催化劑的工作原理，以及更廣泛地說，分子如何與固體相互作用。”

ManosMavrikakis是威斯康星大學(xué)麥迪遜分校化學(xué)與生物工程領(lǐng)域的ErnestMicek特聘主席、JamesA.Dumesic教授和Vilas杰出成就教授。其他作者包括慕尼黑工業(yè)大學(xué)的BarbaraAJLechner，以及勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加州大學(xué)伯克利分校的GaborA.Somorjai和MiquelSalmeron。

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