Материалы-катализаторы ускоряют химические реакции, сами не претерпевая изменений. Они имеют решающее значение для переработки нефтепродуктов и производства фармацевтических препаратов, пластмасс, пищевых добавок, удобрений, экологически чистого топлива, промышленных химикатов и многого другого.

Ученые и инженеры потратили десятилетия на тонкую настройку каталитических реакций, но поскольку в настоящее время невозможно непосредственно наблюдать эти реакции при экстремальных температурах и давлениях, часто используемых при промышленном катализе, они не знали точно, что происходит на нано- и атомном уровнях. Это новое исследование помогает разгадать эту тайну, потенциально имеющую серьезные последствия для промышленности.

Фактически, всего на три каталитические реакции - парометановый риформинг с получением водорода, синтез аммиака для получения удобрений и синтез метанола - расходуется около 10% мировой энергии.

"Если вы снизите температуру, при которой должны протекать эти реакции, всего на несколько градусов, произойдет огромное снижение потребности в энергии, с которой мы сталкиваемся сегодня как человечество", - говорит Манос Маврикакис, профессор химической и биологической инженерии в Калифорнийском университете в Мэдисоне, который руководил исследованием. "Уменьшая потребности в энергии для запуска всех этих процессов, вы также уменьшаете их воздействие на окружающую среду".

Маврикакис и постдокторанты Лан Сюй и Константинос Г. Папаниколау вместе с аспиранткой Лизой Джи опубликовали новость о своем продвижении в номере журнала за 7 апреля 2023 года. Наука.

В своих исследованиях инженеры UW-Madison разрабатывают и используют мощные методы моделирования для имитации каталитических реакций в атомном масштабе. Для этого исследования они рассмотрели реакции с участием катализаторов из переходных металлов в форме наночастиц, которые включают такие элементы, как платина, палладий, родий, медь, никель и другие, важные в промышленности и зеленой энергетике.

Согласно современной модели катализа с жесткой поверхностью, плотно упакованные атомы катализаторов из переходных металлов обеспечивают двумерную поверхность, к которой прилипают химические реагенты и участвуют в реакциях. При приложении достаточного давления, тепла или электричества связи между атомами в химических реагентах разрываются, позволяя фрагментам рекомбинировать в новые химические продукты.

"Преобладающее предположение состоит в том, что эти атомы металла прочно связаны друг с другом и просто обеспечивают "посадочные места" для реагентов. Все предполагали, что связи металл-металл остаются нетронутыми во время реакций, которые они катализируют", - говорит Маврикакис. "Итак, здесь мы впервые задали вопрос: "Может ли энергия для разрыва связей в реагентах быть такой же, как энергия, необходимая для разрыва связей внутри катализатора?""

Согласно моделированию Маврикакиса, ответ - да. Энергии, обеспечиваемой для протекания многих каталитических процессов, достаточно, чтобы разорвать связи и позволить отдельным атомам металла (известным как адатомы) вырваться на свободу и начать перемещаться по поверхности катализатора. Эти адатомы объединяются в кластеры, которые служат участками на катализаторе, где химические реакции могут протекать гораздо легче, чем на исходной жесткой поверхности катализатора.

Используя набор специальных расчетов, команда изучила важные для промышленности взаимодействия восьми катализаторов на основе переходных металлов и 18 реагентов, определив уровни энергии и температуры, которые могут привести к образованию таких небольших металлических кластеров, а также количество атомов в каждом кластере, что также может существенно повлиять на скорость реакции.

Их коллеги-экспериментаторы из Калифорнийского университета в Беркли использовали сканирующую туннельную микроскопию с атомарным разрешением, чтобы изучить адсорбцию монооксида углерода на никеле (111), стабильной кристаллической форме никеля, полезной в катализе. Их эксперименты подтвердили модели, которые показали, что различные дефекты в структуре катализатора также могут влиять на то, как отдельные атомы металла высвобождаются, а также на то, как формируются реакционные центры.

Маврикакис говорит, что новая структура бросает вызов основам понимания исследователями катализа и того, как он происходит. Это может быть применимо и к другим неметаллическим катализаторам, которые он исследует в будущей работе. Это также имеет отношение к пониманию других важных явлений, включая коррозию и трибологию, или взаимодействие поверхностей в движении.

"Мы пересматриваем некоторые очень устоявшиеся предположения в понимании того, как работают катализаторы и, в более общем плане, как молекулы взаимодействуют с твердыми телами", - говорит Маврикакис.

Манос Маврикакис - почетный председатель Эрнест Мичек, профессор Джеймс А. Думесик и заслуженный профессор Вилас в области химической и биологической инженерии в Университете Висконсин-Мэдисон.

Среди других авторов - Барбара А.Дж. Лехнер из Мюнхенского технического университета, Габор А. Соморджай и Микель Салмерон из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли и Калифорнийского университета в Беркли.

Авторы выражают признательность за поддержку Министерства энергетики США, Отдел фундаментальных энергетических наук, Отдел химических наук, Научная программа по катализу, грант DE-FG02-05ER15731; Управление фундаментальных энергетических наук, Отдел материаловедения и инженерии Министерства энергетики США по контракту №. DE-AC02-05CH11231, с помощью программы "Структура и динамика интерфейсов материалов" (FWP KC31SM).

Маврикакис благодарит финансовую поддержку Института Миллера при Калифорнийском университете в Беркли в виде приглашенного профессора Миллера на кафедре химии.

Команда также использовала Научно-вычислительный центр National Energy Research, пользовательский центр Управления науки Министерства энергетики США, поддерживаемый Управлением науки Министерства энергетики США по контракту №. DE-AC02-05CH11231 с использованием NERSC award BES- ERCAP0022773.

Часть вычислительной работы была выполнена с использованием суперкомпьютерных ресурсов в Центре наноразмерных материалов, пользовательском центре Министерства образования и науки, расположенном в Аргоннской национальной лаборатории, при поддержке контракта Министерства образования DE-AC02-06CH11357.