Ново разбиране за катализата може да допринесе за огромни енергийни спестявания

Химични инженери от Университета Уисконсин-Мадисън разработиха модел на това как протичат каталитичните реакции на атомно равнище. Това разбиране може да позволи на инженерите и химиците да създават по-ефективни катализатори и в съответствие с различни индустриални процеси, което е свързано с огромен потенциал за енергийни спестявания, тъй като 90% от продуктите в ежедневието ни са произведени поне частично чрез катализа.

Каталитичните материали ускоряват химичните реакции, без те самите да се изменят по някакъв начин. Те са от критично значение за рафинирането на нефтени продукти и за производството на лекарства, пластмаси, хранителни добавки, торове, зелени горива, промишлени химикали и много други.

Учени правят фина настройка на каталитичните реакции от десетилетия, но тъй като понастоящем не е възможно директно да се наблюдават тези реакции при екстремните температури и налягания, характерни за катализата в промишлен мащаб, все още не е известно какво точно се случва на нано и атомно равнище. Това ново проучване помага да се разкрие мистерията и може потенциално да окаже огромно въздействия върху индустрията.

Всъщност, само за три химични реакции – паровия метанов реформинг за получаването на водород, синтеза на амоняк за производството на торове и синтеза на метанол, се използват близо 10% от енергията в света.

“Ако температурите, при които трябва да се осъществяват тези реакции, се понижат само с няколко градуса, ще има огромно намаление на енергийните потребности, пред които е изправено човечеството днес. Редуцирането на енергийните нужди за провеждането на всички тези процеси означава и намаляване на техния екологичен отпечатък”, казва Мейсън Маврикакис, професор по химично и биологично инженерство в Университета Уисконсин-Мадисън и ръководител на проучването.

Той и екипът му разработват и използват мощни техники за моделиране, за да симулират каталитични реакции на атомно равнище. За целите на проучването те разглеждат реакции, включващи катализатори от преходни метали под формата на наночастици – платина, паладий, родий, мед, никел и др.

Според сегашния модел на катализата, плътно разположените атоми на преходния метал предоставят двуизмерна повърхност, към която химичните реагенти се прикрепят и участват в реакции. Когато се приложи достатъчно налягане, топлина или ток, връзките между атомите на химичните реагенти се скъсват, което позволява на фрагментите да се рекомбинират в нови химични продукти.

“Преобладава допускането, че тези метални атоми са силно свързани един към друг и просто предоставят “площадки за приземяване” на реагентите. Всички допускат, че връзките метал-метал остават непокътнати по време на реакциите, които катализират. Така че за първи път зададохме въпроса дали може енергията, необходима за разкъсване на връзките в реагентите, да е аналогична количествено на енергията, нужна за разкъсване на връзките в катализатора”, обяснява проф. Маврикакис.

Според моделирането отговорът е да. Енергията за осъществяването на множество каталитични процеси е достатъчна, за да разкъса връзките и да позволи единични метални атоми да се освободят и да започнат да се движат по повърхността на катализатора. Тези атоми се комбинират в клъстери, които служат като зони върху катализатора, където химичните реакции протичат много по-лесно в сравнение с оригиналната твърда повърхност на катализатора.

Като използва набор от специални изчисления, екипът проучва важни за индустрията взаимодействия на осем катализатора от преходни метала и 18 реагента, идентифицирайки енергийните нива и температурите, които е вероятно да доведат до формирането на такива малки метални клъстери, както и броя на атомите във всеки клъстер, който също може да повлияе драстично върху скоростта на реакциите.

Сътрудниците на екипа от Калифорнийския университет Бъркли проучват адсорбцията на въглероден оксид върху никел (111) – стабилна, кристална форма на никела, която се използва за катализа. Експериментите им потвърждават моделите, които показват, че различни дефекти в структурата на катализатора могат да повлияят върху откъсването на единични метални атоми, както и върху това как се формират зоните, в които протичат реакциите.

Маврикакис казва, че този нов модел оспорва представата на изследователите за катализата и за това как протича тя. Той може да се приложи и за други неметални катализатори, което екипът ще разгледа в бъдещи проучвания. Моделът е свързан и с разбирането на други важни феномени, включително корозията и трибологията.