Команда химиков из США и Германии с помощью методов вычислительной химии разработала модель того, как протекает твердофазный катализ на атомном уровне. Они узнали, что связи в металлическом катализаторе могут быть так же подвижны, как связи в реагентах. Это исследование поможет лучше понять процесс катализа, чтобы в дальнейшем управлять производственными процессами и сделать их более экологичными и простыми. Статья опубликована в журнале Science.
Каталитическая реакция — это процесс, при котором катализатор эффективно ускоряет химическую реакцию, но при этом не изменяет ее конечный результат и не расходуется сам. Этот процесс важен в промышленности: к каталитическим относится большая часть всех производственных реакций. Например, только каталитические реакции переработки метана, синтеза аммиака и метанола используют 10% мировой энергии. Промышленные процессы обычно проводятся в экстремальных условиях, при высоких температуре и давлении. Если ученым удастся хотя бы немного уменьшить температуру проведения этих реакций, то их энергозатратность сильно снизится. До сих пор этого не удавалось сделать, поскольку химики точно не знали, как именно работают эти реакции и что происходит на атомном уровне. Новое исследование американских и немецких ученых может ответить на эти вопросы.
Принято считать, что в межфазном катализе (обычно происходящем на поверхности твердого тела), иначе гетерогенном, плотно упакованные атомы металлических катализаторов обеспечивают поверхность, к которой «прилипают» реагенты и участвуют в дальнейшей реакции. Во время этого атомы металлов-катализаторов должны оставаться прочно связанными друг с другом, не повреждаться во время химической реакции. Но ученые рассмотрели противоположный вариант. «Итак, теперь мы впервые задали вопрос: "Может ли энергия для разрыва связей в реагентах быть такой же, как энергия, необходимая для разрыва связей внутри катализатора?"» — рассказал Манос Маврикакис, руководитель исследования из Университета Висконсин-Мэдисон. Иными словами, действительно ли остаются нетронутыми связи внутри металла-катализатора?
Исследователи изучили реакции, где в качестве катализатора выступали переходные металлы в форме наночастиц, такие как платина, палладий, родий, медь и никель. Им удалось создать модель для имитации нескольких каталитических реакций в атомном масштабе. Они изучили комбинацию 8 переходных металлов и 18 реагентов.
Результаты моделирования показали, что энергия процесса на самом деле позволяет разорвать связи внутри катализатора и позволить отдельным атомам металла отделиться. Отделившись, атомы двигаются по поверхности катализатора и объединяются в кластеры. В этих обособленных кластерах химические реакции протекают намного легче, чем на жесткой поверхности однородного катализатора. Ученые также применили методы квантовохимических расчетов (метод Монте-Карло и теория функционала плотности), чтобы определить условия, достаточные для образования таких кластеров.
Далее экспериментаторы из Калифорнийского университета в Беркли с помощью сканирующей туннельной микроскопии изучили адсорбцию CO на кристаллическом никеле. Их эксперименты показали, что различные дефекты в структуре катализатора также могут влиять на формирование реакционных центров.
Это исследование позволяет пересмотреть традиционные взгляды на механизм каталитических реакций. Глубокое понимание процесса катализа позволит сделать промышленное производство более эффективным и экологичным. Полученные результаты в дальнейшем можно будет применить и к неметаллическим катализаторам.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
