对催化的新原子尺度理解可以节省大量能源

发布时间：2023-04-07 20:12:08 栏目：生活

导读 威斯康星大学麦迪逊分校的化学工程师认为这是计算化学研究的突破，已经开发出催化反应如何在原子尺度上工作的模型。这种理解可以使工程师和

威斯康星大学麦迪逊分校的化学工程师认为这是计算化学研究的突破，已经开发出催化反应如何在原子尺度上工作的模型。这种理解可以使工程师和化学家开发更有效的催化剂并调整工业流程 - 鉴于我们在生活中遇到的90%的产品至少部分是通过催化生产的，因此可能会节省大量能源。



催化剂材料在不发生变化的情况下加速化学反应。它们对于精炼石油产品以及制造药品、塑料、食品添加剂、肥料、绿色燃料、工业化学品等至关重要。

科学家和工程师花了几十年的时间微调催化反应，但由于目前不可能在工业规模催化中经常涉及的极端温度和压力下直接观察这些反应，他们还没有确切知道纳米和原子尺度上发生了什么。这项新研究有助于解开这个谜团，并对行业产生潜在的重大影响。

事实上，仅三种催化反应——蒸汽-甲烷重整产生氢气、合成氨生产肥料和合成甲醇——就消耗了世界近 10% 的能源。

“如果你把运行这些反应的温度降低几度，我们今天作为人类面临的能源需求将大大减少，”领导这项研究的威斯康星大学麦迪逊分校化学和生物工程教授Manos Mavrikakis说。“通过减少运行所有这些过程的能源需求，您也减少了它们对环境的影响。

Mavrikakis和博士后研究员Lang Xu和Konstantinos G. Papanikolaou以及研究生Lisa Je在7年2023月<>日的《科学》杂志上发表了他们的进展。

在他们的研究中，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师开发并使用强大的建模技术来模拟原子尺度的催化反应。在这项研究中，他们研究了涉及纳米颗粒形式的过渡金属催化剂的反应，其中包括铂，钯，铑，铜，镍等元素，以及其他在工业和绿色能源中很重要的元素。

根据目前的催化刚性表面模型，过渡金属催化剂的紧密堆积原子提供了化学反应物粘附并参与反应的二维表面。当施加足够的压力和热量或电力时，化学反应物中原子之间的键断裂，使碎片重新组合成新的化学产物。

“普遍的假设是，这些金属原子彼此紧密结合，只是为反应物提供'着陆点'。每个人都认为金属 - 金属键在它们催化的反应过程中保持完整，“Mavrikakis说。“所以在这里，我们第一次提出了一个问题，'在反应物中破坏键的能量是否与破坏催化剂内键所需的能量相似?'”

根据Mavrikakis的建模，答案是肯定的。为许多催化过程提供的能量足以破坏键，并允许单个金属原子(称为吸附原子)松散并开始在催化剂表面上行进。这些吸附原子结合成簇，作为催化剂上的位点，化学反应可以比催化剂的原始刚性表面更容易发生。

使用一组特殊计算，该团队研究了八种过渡金属催化剂和18种反应物的工业重要相互作用，确定了可能形成这种小金属簇的能级和温度，以及每个团簇中的原子数量，这也会显着影响反应速率。

他们在加州大学伯克利分校的实验合作者使用原子分辨扫描隧道显微镜来观察一氧化碳对镍(111)的吸附，镍是一种稳定的结晶形式的镍，可用于催化。他们的实验证实了一些模型，这些模型显示催化剂结构中的各种缺陷也会影响单个金属原子如何松动，以及反应位点的形成方式。

Mavrikakis说，新框架正在挑战研究人员如何理解催化及其发生方式的基础。它也可能适用于其他非金属催化剂，他将在未来的工作中对此进行研究。它还与理解其他重要现象有关，包括腐蚀和摩擦学，或运动中表面的相互作用。

“我们正在重新审视一些非常成熟的假设，以了解催化剂如何工作，以及更一般地说，分子如何与固体相互作用，”Mavrikakis说。

Manos Mavrikakis是威斯康星大学麦迪逊分校化学和生物工程的Ernest Micek杰出主席，James A. Dumesic教授和Vilas杰出成就教授。其他作者包括慕尼黑工业大学的Barbara A.J. Lechner，劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的Gabor A. Somorjai和Miquel Salmeron。