对催化的新原子尺度理解可以释放大量能量

威斯康星大学麦迪逊分校的化学工程师考虑在计算化学研究方面取得突破，他们开发了催化反应如何在原子尺度上工作的模型。这种理解可以让工程师和化学家开发更高效的催化剂并调整工业过程——可能会节省大量能源，因为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。

催化剂材料加速化学反应而本身不发生变化。它们对于精炼石油产品以及制造药品、塑料、食品添加剂、化肥、绿色燃料、工业化学品等至关重要。

科学家和工程师花了数十年时间对催化反应进行微调——但由于目前无法在工业规模催化通常涉及的极端温度和压力下直接观察这些反应，因此他们尚不清楚纳米和纳米材料上发生了什么原子尺度。这项新研究有助于解开这个可能对行业产生重大影响的谜团。

事实上，仅三个催化反应——蒸汽-甲烷重整制氢、氨合成制肥和甲醇合成——就消耗了世界能源的近 10%。

“如果将运行这些反应所需的温度仅降低几度，那么我们当今人类面临的能源需求就会大大减少，”化学和生物工程学教授 Manos Mavrikakis说。领导这项研究的威斯康星大学麦迪逊分校。“通过减少运行所有这些过程所需的能源，你也在减少它们的环境足迹。”

Mavrikakis 和博士后研究员 Lang Xu 和 Konstantinos G. Papanikolaou 以及研究生 Lisa Je 在2023 年 4 月 7 日的《科学》杂志上发表了他们取得进展的消息。

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级的催化反应。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、镍以及其他在工业和绿色能源中重要的元素。

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附着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品。

“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’。每个人都假设金属-金属键在它们催化的反应中保持完整，”Mavrikakis 说。“所以在这里，我们第一次问了这样一个问题，'打破反应物中的键的能量是否与破坏催化剂中的键所需的能量相似?'”

根据 Mavrikakis 的建模，答案是肯定的。为许多催化过程的发生提供的能量足以破坏化学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移动。这些吸附原子结合成簇，作为催化剂上的位点，化学反应比催化剂的原始刚性表面更容易发生。

该团队使用一组特殊计算，研究了八种过渡金属催化剂和 18 种反应物在工业上重要的相互作用，确定了可能形成这种小金属簇的能级和温度，以及每个簇中的原子数，这也可以显着影响反应速率。

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观察镍 (111) 上的一氧化碳吸附，镍是一种稳定的结晶形式，可用于催化。他们的实验证实，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，以及反应位点如何形成。

Mavrikakis 说，新框架正在挑战研究人员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，或运动表面的相互作用。

Mavrikakis 说：“我们正在重新审视一些非常成熟的假设，以了解催化剂的工作原理，以及更普遍的分子如何与固体相互作用。”