Ein neuer Durchbruch in der Katalyse könnte zu massiven Energieeinsparungen führen

In einem großen Durchbruch in der Computerchemie haben Chemieingenieure der University of Wisconsin-Madison ein Modell erstellt, das zeigt, wie katalytische Reaktionen auf atomarer Ebene ablaufen. Dieses neue Verständnis könnte es Ingenieuren und Chemikern ermöglichen, verbesserte Katalysatoren zu entwerfen und industrielle Verfahren zu verbessern, was zu massiven Energieeinsparungen führen könnte, da die Katalyse an der Herstellung von 90 % der Produkte beteiligt ist, die wir täglich verwenden.

Lang Shaw. Bildnachweis: Universität von Wisconsin-Madison

Katalysatoren beschleunigen chemische Reaktionen, ohne sich selbst zu verändern. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Verarbeitung von Erdölprodukten und der Produktion einer breiten Palette von Artikeln, darunter Medikamente, Kunststoffe, Lebensmittelzusatzstoffe, Düngemittel, umweltfreundliche Kraftstoffe und verschiedene Industriechemikalien.

Wissenschaftler und Ingenieure haben Jahrzehnte damit verbracht, katalytische Reaktionen abzustimmen – aber da es derzeit unmöglich ist, diese Reaktionen bei den extremen Temperaturen und Drücken, die oft mit der Katalyse im industriellen Maßstab verbunden sind, direkt zu beobachten, wussten sie nicht genau, was im Nano- und Atombereich vor sich ging Waage. Diese neue Forschung trägt dazu bei, dieses Geheimnis mit möglicherweise enormen Auswirkungen auf die Branche zu lüften.

Tatsächlich verbrauchen nur drei katalytische Reaktionen – die Reformierung von Dampf und Methan zur Herstellung von Wasserstoff, die Synthese von Ammoniak zur Herstellung von Düngemitteln und die Synthese von Methanol – fast 10 % der weltweiten Energie.

sagt Manos Mavrikakis, Professor für Chemie- und Bioingenieurwesen in Madison, der die Forschung leitete. „Indem Sie die Energie reduzieren, die Sie für all diese Prozesse benötigen, verringern Sie auch deren Auswirkungen auf die Umwelt.“

Mavrikakis und die Postdoktoranden Lang Xu und Konstantinos G. Papanicolaou sowie die Doktorandin Lisa G veröffentlichen in der Ausgabe der Zeitschrift vom 7. April 2023 Neuigkeiten über ihre Fortschritte Wissenschaften.

Manu Mavrikakis. Bildnachweis: Universität von Wisconsin-Madison

In ihrer Forschung entwickelten und verwendeten Ingenieure der University of Washington Madison robuste Modellierungstechniken, um katalytische Reaktionen auf atomarer Ebene zu simulieren. In dieser Studie untersuchten sie Reaktionen mit Übergangsmetallkatalysatoren in Form von Nanopartikeln, die Elemente wie Platin, Palladium, Rhodium, Kupfer, Nickel und andere enthalten, die für die Industrie und grüne Energie wichtig sind.

Gemäß dem aktuellen Festkörperoberflächenmodell der Katalyse stellen die dicht gepackten Atome von Übergangsmetallkatalysatoren eine zweidimensionale Oberfläche bereit, an der Reaktionschemikalien haften und an Reaktionen teilnehmen. Wenn genügend Druck, Hitze oder Elektrizität angewendet wird, brechen die Bindungen zwischen den Atomen in den chemischen Reaktanten auf, wodurch die Fragmente zu neuen chemischen Produkten rekombinieren können.

„Die vorherrschende Annahme ist, dass diese Metallatome stark aneinander gebunden sind und einfach „Landepunkte“ für die Reaktanten darstellen. Alle gingen davon aus, dass die Metall-Metall-Bindungen während der von ihnen katalysierten Reaktionen intakt bleiben“, sagt Mavrikakis. zum ersten Mal stellten wir die Frage: „Könnte die Energie, die die Bindungen in den Reaktanten aufbricht, von der gleichen Größenordnung sein wie die Energie, die zum Aufbrechen der Bindungen im Katalysator benötigt wird?“

Laut Mavrikakis Modellierung lautet die Antwort ja. Die für viele der katalytischen Prozesse bereitgestellte Energie reicht aus, um die Bindungen aufzubrechen und es einzelnen Metallatomen (bekannt als Adatome) zu ermöglichen, sich zu trennen und auf der Oberfläche des Katalysators zu wandern. Diese Adatome verschmelzen zu Clustern, die als Stellen auf dem Katalysator fungieren, an denen chemische Reaktionen viel leichter ablaufen können als an der ursprünglichen festen Oberfläche des Katalysators.

Mithilfe einer Kombination aus speziellen Berechnungen untersuchte das Team die industriell wichtigen Wechselwirkungen von acht Übergangsmetallkatalysatoren und 18 Reaktanten und bestimmte die Energieniveaus und Temperaturen, mit denen solche kleinen Metallcluster wahrscheinlich gebildet werden, sowie die Anzahl der Atome in jeder Gruppe kann auch High auf die Reaktionsgeschwindigkeiten beeinflussen.

Ihre experimentellen Mitarbeiter an der University of California, Berkeley, verwendeten Rastertunnelmikroskopie, um die Adsorption von Kohlenmonoxid auf Nickel(111), einer stabilen kristallinen Form von Nickel, die in der Katalyse nützlich ist, zu untersuchen. Ihre Experimente bestätigten, dass Modelle, die verschiedene Defekte in der Katalysatorstruktur aufwiesen, auch die Dissoziation einzelner Metallatome sowie die Bildung von Reaktionsstellen beeinflussen könnten.

Mavrikakis sagt, dass der neue Rahmen die Grundlagen dafür in Frage stellt, wie Forscher die Katalyse verstehen und wie sie abläuft. Es könnte auch für andere nichtmetallische Katalysatoren gelten, die er in zukünftigen Arbeiten untersuchen wird. Es ist auch relevant für das Verständnis anderer wichtiger Phänomene, einschließlich Erosion und Tribologie oder der Wechselwirkung von sich bewegenden Oberflächen.

„Wir überdenken einige sehr gut etablierte Annahmen, um zu verstehen, wie Katalysatoren funktionieren und allgemeiner, wie Moleküle mit Feststoffen interagieren“, sagt Mavrikakis.

Referenz: „Formation of Active Sites on Transition Metals Through Reaction-Triggered Migration of Surface Atoms“ von Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A. Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 6. April 2023 Hier erhältlich. Wissenschaften.
DOI: 10.1126/science.add0089

Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung durch das US Department of Energy, Basic Energy Sciences, Department of Chemical Sciences, and Catalysis Science Program, Grant DE-FG02-05ER15731; Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Science and Engineering, U.S. Department of Energy unter Contract No. DE-AC02-05CH11231, von Structure and Dynamics of Material Interfaces Program (FWP KC31SM).

Mavrikakis dankt dem Miller Institute der UC Berkeley für die finanzielle Unterstützung durch die Miller Visiting Professorship im Department of Chemistry.

Das Team nutzte auch das National Energy Research Scientific Computing Center, eine Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, die vom Office of Science des US-Energieministeriums unter der Vertragsnummer DE-AC02-05CH11231 unter Verwendung des NERSC BES-Preises ERCAP0022773 unterstützt wird.

Ein Teil der Rechenarbeit wurde unter Verwendung von Supercomputing-Ressourcen im Center for Nanomaterials, einem DOE-Büro der Science User Facility im Argonne National Laboratory, mit Unterstützung des DOE-Vertrags DE-AC02-06CH11357 durchgeführt.