Terobosan baru dalam katalisis dapat menghasilkan penghematan energi yang sangat besar

Dalam terobosan besar dalam kimia komputasi, insinyur kimia dari University of Wisconsin-Madison telah menciptakan sebuah model yang menunjukkan bagaimana reaksi katalitik bekerja pada tingkat atom. Pemahaman yang baru ditemukan ini dapat memungkinkan para insinyur dan ahli kimia untuk merancang katalis yang lebih baik dan memperbaiki prosedur industri, yang berpotensi menghasilkan penghematan energi yang sangat besar, karena katalisis terlibat dalam produksi 90% produk yang kita gunakan setiap hari.

Lang Shaw. Kredit: Universitas Wisconsin-Madison

Katalis mempercepat reaksi kimia tanpa mengalami perubahan sendiri. Mereka memainkan peran penting dalam pemrosesan produk minyak bumi dan produksi berbagai macam barang, termasuk obat-obatan, plastik, bahan tambahan makanan, pupuk, bahan bakar ramah lingkungan, dan berbagai bahan kimia industri.

Para ilmuwan dan insinyur telah menghabiskan puluhan tahun menyetel reaksi katalitik—namun karena saat ini tidak mungkin untuk secara langsung mengamati reaksi tersebut pada suhu dan tekanan ekstrem yang sering dikaitkan dengan katalisis pada skala industri, mereka tidak tahu persis apa yang terjadi pada nano dan atom. timbangan. Penelitian baru ini membantu mengungkap misteri ini dengan konsekuensi yang berpotensi besar bagi industri.

Faktanya, hanya tiga reaksi katalitik—reformasi uap dan metana untuk menghasilkan hidrogen, sintesis amonia untuk menghasilkan pupuk, dan sintesis metanol—menggunakan hampir 10% energi dunia.

kata Manos Mavrikakis, seorang profesor teknik kimia dan biologi di Madison yang memimpin penelitian tersebut. “Dengan mengurangi energi yang Anda butuhkan untuk menjalankan semua proses ini, Anda juga mengurangi dampaknya terhadap lingkungan.”

Mavrikakis dan peneliti pascadoktoral Lang Xu dan Konstantinos G. Papanicolaou bersama dengan mahasiswa pascasarjana Lisa G mempublikasikan berita kemajuan mereka dalam jurnal edisi 7 April 2023 Ilmu.

Manu Mavrikakis. Kredit: Universitas Wisconsin-Madison

Dalam penelitian mereka, para insinyur Universitas Washington Madison mengembangkan dan menggunakan teknik pemodelan yang kuat untuk mensimulasikan reaksi katalitik pada tingkat atom. Dalam studi ini, mereka mengamati reaksi yang melibatkan katalis logam transisi dalam bentuk partikel nano, yang mencakup unsur-unsur seperti platinum, paladium, rhodium, tembaga, nikel, dan lainnya yang penting bagi industri dan energi hijau.

Menurut model katalisis permukaan padat saat ini, atom-atom padat dari katalis logam transisi menyediakan permukaan dua dimensi tempat bahan kimia reaktan menempel dan berpartisipasi dalam reaksi. Ketika tekanan, panas, atau listrik yang cukup diterapkan, ikatan antara atom dalam reaktan kimia putus, memungkinkan fragmen untuk bergabung kembali menjadi produk kimia baru.

“Asumsi yang berlaku adalah bahwa atom-atom logam ini sangat terikat satu sama lain dan hanya memberikan ‘titik pendaratan’ untuk reaktan. Apa yang diasumsikan semua orang adalah bahwa ikatan logam-logam tetap utuh selama reaksi yang dikatalisasi,” kata Mavrikakis. “Jadi di sini, untuk pertama kalinya, kami mengajukan pertanyaan. , “Mungkinkah energi yang memutus ikatan dalam reaktan sama besarnya dengan energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan di dalam katalis?”

Menurut model Mavrikakis, jawabannya adalah ya. Energi yang disediakan untuk banyak proses katalitik cukup untuk memutuskan ikatan dan memungkinkan atom logam tunggal (dikenal sebagai adatom) untuk terpisah dan mulai berjalan di permukaan katalis. Adatom ini menyatu menjadi kelompok, yang bertindak sebagai situs pada katalis di mana reaksi kimia dapat terjadi jauh lebih mudah daripada permukaan padat asli katalis.

Dengan menggunakan kombinasi kalkulasi khusus, tim melihat interaksi industri yang penting dari delapan katalis logam transisi dan 18 reaktan, menentukan tingkat energi dan suhu yang mungkin membentuk kluster logam kecil tersebut, serta jumlah atom di setiap kelompok, yang juga dapat mempengaruhi Great pada laju reaksi.

Kolaborator eksperimental mereka di University of California, Berkeley, menggunakan mikroskop tunneling pemindaian atom untuk memeriksa adsorpsi karbon monoksida pada nikel (111), bentuk kristal stabil dari nikel yang berguna dalam katalisis. Eksperimen mereka menegaskan bahwa model yang menunjukkan berbagai cacat pada struktur katalis juga dapat memengaruhi bagaimana atom logam tunggal berdisosiasi, serta bagaimana tempat reaksi terbentuk.

Mavrikakis mengatakan kerangka baru menantang dasar bagaimana peneliti memahami katalisis dan bagaimana itu terjadi. Ini mungkin juga berlaku untuk katalis non-logam lainnya, yang akan dia selidiki di masa depan. Juga relevan untuk memahami fenomena penting lainnya, termasuk erosi dan tribologi, atau interaksi permukaan yang bergerak.

“Kami meninjau kembali beberapa asumsi yang sangat mapan dalam memahami bagaimana katalis bekerja dan, lebih umum, bagaimana molekul berinteraksi dengan padatan,” kata Mavrikakis.

Referensi: “Pembentukan Situs Aktif pada Logam Transisi Melalui Migrasi Atom Permukaan yang Dipicu Reaksi” oleh Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A. Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 6 April 2023 Tersedia di sini. Ilmu.
DOI: 10.1126/science.add0089

Para penulis mengakui dukungan dari Departemen Energi AS, Ilmu Energi Dasar, Departemen Ilmu Kimia, dan Program Ilmu Katalisis, Grant DE-FG02-05ER15731; Kantor Ilmu Energi Dasar, Divisi Ilmu dan Teknik Material, Departemen Energi AS berdasarkan Kontrak No. DE-AC02-05CH11231, dengan Structure and Dynamics of Material Interfaces Program (FWP KC31SM).

Mavrikakis mengakui dukungan keuangan dari Miller Institute di UC Berkeley melalui Miller Visiting Professorship di Departemen Kimia.

Tim juga menggunakan Pusat Komputasi Ilmiah Riset Energi Nasional, Fasilitas Pengguna Kantor DOE Sains yang didukung oleh Kantor Sains Departemen Energi AS di bawah Kontrak No. DE-AC02-05CH11231 menggunakan penghargaan NERSC BES- ERCAP0022773.

Bagian dari pekerjaan komputasi dilakukan dengan menggunakan sumber daya superkomputer di Center for Nanomaterials, kantor DOE dari Fasilitas Pengguna Sains yang berlokasi di Argonne National Laboratory, dengan dukungan dari kontrak DOE DE-AC02-06CH11357.