来自美国的化学工程师开发了催化反应在原子尺度上如何工作的模型,他们认为这是计算化学研究的突破。这一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流程,这会极大的节约能源,因为我们生活中遇到的90%的产品,很多都是通过催化生产的。催化剂材料加速化学反应,而不会自身发生变化。它们对精炼石油产品和制造药品、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几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,他们还不知道纳米和原子尺度上到底发生了什么。这项新的研究有助于解开这个谜团,并可能对工业产生重大影响。事实上,仅仅三种催化反应——蒸汽甲烷重整制氢、氨合成化肥和甲醇合成——就消耗了世界近10%的能源。
“如果你把进行这些反应的温度降低几度,我们今天作为人类所面临的能源需求就会大幅减少。”。“通过减少运行所有这些过程所需的能源,你也在减少它们对环境的影响。”在新的研究中,科学家们开发并使用强大的建模技术来模拟原子尺度上的催化反应。在这项研究中,他们观察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重要的元素。
根据目前催化的刚性表面模型,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2D表面。当施加足够的压力、热和电时,化学反应物中原子之间的键就会断裂,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,只是为反应物提供了‘着陆点’。每个人都认为,金属-金属键在催化反应过程中保持完整。”“所以,在这里,我们第一次提出了一个问题,‘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?’”
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移动。这些吸附原子结合成团簇,作为催化剂上的位点,在那里化学反应比催化剂的原始刚性表面更容易发生。通过一组特殊的计算,该团队观察了八种过渡金属催化剂和18种反应物在工业上的重要相互作用,确定了可能形成这种小金属簇的能级和温度,以及每个簇中的原子数,这也会极大地影响反应速率。

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