1: A vegyészmérnökök a számításos kémiai kutatásban elért áttörésnek tekintik, hogy kidolgozták a katalitikus reakciók atomi szintű működésének modelljét. Ez a megértés lehetővé teheti a mérnökök és a vegyészek számára, hogy hatékonyabb katalizátorokat fejlesszenek ki és az ipari folyamatokat hangolják – ami hatalmas energiamegtakarítást eredményezhet, tekintve, hogy az életünkben előforduló termékek 90%-a legalább részben katalízis útján jön létre.
A katalizátoranyagok felgyorsítják a kémiai reakciókat anélkül, hogy maguk is változásokon mennének keresztül. A katalizátorok létfontosságúak a kőolajtermékek finomításában, valamint a gyógyszerek, műanyagok, élelmiszer-adalékanyagok, műtrágyák, zöld üzemanyagok, ipari vegyi anyagok és sok más termék előállításában.
A tudósok és mérnökök évtizedeket töltöttek a katalitikus reakciók finomhangolásával – mivel azonban jelenleg lehetetlen közvetlenül megfigyelni ezeket a reakciókat az ipari méretű katalízis során gyakran előforduló szélsőséges hőmérsékleten és nyomáson, nem tudják pontosan, hogy mi történik a nano és atomi léptékben. Ez az új kutatás segít megfejteni ezt a rejtélyt, ami jelentős következményekkel járhat az ipar számára.
2: Valójában mindössze három katalitikus reakció – a hidrogén előállítására szolgáló gőz-metán reformálás, a műtrágya előállítására szolgáló ammónia szintézis és a metanol szintézis – a világ energiájának közel 10%-át használja fel.
„Ha csak néhány fokkal csökkentjük azt a hőmérsékletet, amelyen ezeket a reakciókat kell lefuttatni, óriási mértékben csökken az energiaigény, amellyel ma az emberiségnek szembe kell néznie” – mondja Manos Mavrikakis, a kutatást vezető UW-Madison vegyészmérnöki és biológiai mérnöki professzora. „Azáltal, hogy csökken az energiaszükséglet mindezen folyamatok működtetéséhez, csökken a környezeti lábnyomuk is.”
Mavrikakis és posztdoktori kutatói, Lang Xu és Konstantinos G. Papanikolaou, valamint Lisa Je végzős hallgató a Science folyóirat 2023. április 7-i számában adtak hírt az előrelépésükről. Kutatásaik során a UW-Madison mérnökei nagy teljesítményű modellezési technikákat fejlesztenek és alkalmaznak a katalitikus reakciók atomi léptékű szimulálására. E tanulmányukban olyan nanorészecske-formájú átmeneti fémkatalizátorokat érintő reakciókat vizsgáltak, amelyek olyan elemeket foglalnak magukban, mint a platina, a palládium, a ródium, a réz, a nikkel és más, az iparban és a zöld energiában fontos elemek.
3: A katalízis jelenlegi merevfelületű modellje szerint az átmeneti fémkatalizátorok szorosan egymáshoz szorított atomjai 2D-s felületet biztosítanak, amelyre a kémiai reakcióalanyok rátapadnak és részt vesznek a reakciókban. Ha elegendő nyomást és hőt vagy elektromosságot alkalmazunk, a kémiai reaktánsok atomjai közötti kötések felszakadnak, lehetővé téve a fragmentumok új kémiai termékekké történő újrakombinálódását.
„Az uralkodó feltételezés szerint ezek a fématomok erősen kötődnek egymáshoz, és egyszerűen „leszállóhelyet” biztosítanak a reaktánsok számára. Mindenki azt feltételezte, hogy a fém-fém kötések sértetlenek maradnak az általuk katalizált reakciók során” – mondja Mavrikakis. „Tehát itt tettük fel először a kérdést: „Lehet, hogy a reaktánsok kötéseinek felbontásához szükséges energia hasonló nagyságrendű, mint a katalizátoron belüli kötések felbontásához szükséges energia?””.
Mavrikakis modellezése szerint a válasz igen. A számos katalitikus folyamat lejátszódásához szükséges energia elegendő ahhoz, hogy a kötések felszakadjanak, és az egyes fématomok (az úgynevezett adatomok) elszabaduljanak, és elinduljanak a katalizátor felületén. Ezek az adatomok klaszterekké egyesülnek, amelyek olyan helyként szolgálnak a katalizátoron, ahol a kémiai reakciók sokkal könnyebben lezajlanak, mint a katalizátor eredeti merev felületén.
4: A kutatócsoport speciális számítások segítségével nyolc átmeneti fémkatalizátor és 18 reaktáns iparilag fontos kölcsönhatásait vizsgálta meg, és azonosította az ilyen kis fémklaszterek kialakulását valószínűsítő energiaszinteket és hőmérsékleteket, valamint az egyes klaszterekben lévő atomok számát, ami szintén drámaian befolyásolhatja a reakciósebességet. Kísérleti munkatársaik a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen atomi felbontású pásztázó alagútmikroszkópiával vizsgálták a szén-monoxid adszorpcióját a nikkel (111)-en, a nikkel egy stabil, kristályos, a katalízisben hasznos formáján. Kísérleteik megerősítették azokat a modelleket, amelyek szerint a katalizátor szerkezetének különböző hibái azt is befolyásolhatják, hogy az egyes fématomok hogyan pattannak ki, illetve hogyan alakulnak ki a reakcióhelyek.
5: Mavrikakis szerint az új keretrendszer megkérdőjelezi annak alapjait, ahogyan a kutatók a katalízist és annak lefolyását megértik. Ez más, nem fémes katalizátorokra is vonatkozhat, amit a jövőbeni munkák során vizsgálni fog. Más fontos jelenségek, például a korrózió és a tribológia, vagyis a mozgásban lévő felületek kölcsönhatásának megértése szempontjából is fontos.
„Újravizsgálunk néhány nagyon jól bevált feltételezést a katalizátorok működésének megértésében, és általánosabban, a molekulák és a szilárd anyagok kölcsönhatásának megértésében” – mondja Mavrikakis.
Cikk forrása és további részletek: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230406152650.htm
Képek forrása: Flickr (Illusztráció)
