新的催化技术突破料将开启大规模的能源节约

在计算化学领域的一个重大突破中，来自威斯康星大学麦迪逊分校的化学工程师创建了一个模型，阐明了催化反应在原子层面的工作原理。这种新发现的理解可以使工程师和化学家设计改进的催化剂和优化工业程序，可能会带来巨大的能源节约，因为我们日常使用的90%的产品的生产都涉及到催化。

郎旭。资料来源：威斯康星大学麦迪逊分校

催化剂物质加速化学反应，而自身不发生变化。它们在加工石油产品和生产各种物品方面发挥着至关重要的作用，包括药品、塑料、食品添加剂、化肥、环保燃料和各种工业化学品。

科学家和工程师们已经花了几十年时间对催化反应进行微调--然而，由于目前不可能在工业规模的催化作用中经常涉及的极端温度和压力下直接观察这些反应，他们还不知道在纳米和原子尺度上到底发生了什么。这项新的研究有助于揭开这一神秘的面纱，对工业有潜在的重大影响。

事实上，仅仅三个催化反应--蒸汽甲烷重整生产氢气、合成氨生产化肥和合成甲醇--就使用了世界能源的近10%。

领导这项研究的华盛顿大学麦迪逊分校化学和生物工程教授马诺斯-马夫里卡基斯说："如果你把运行这些反应的温度只降低几度，那么我们今天作为人类所面临的能源需求就会有巨大的减少。通过减少运行所有这些过程的能源需求，你也在减少它们的环境足迹。"

马夫里卡基斯和博士后研究人员Lang Xu和Konstantinos G. Papanikolaou以及研究生Lisa Je在2023年4月7日的《科学》杂志上发表了他们的进展消息。

马诺-马夫里卡基斯。资料来源：威斯康星大学麦迪逊分校

在他们的研究中，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师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，他们研究了涉及纳米形式的过渡金属催化剂的反应，其中包括像铂、钯、铑、铜、镍和其他在工业和绿色能源中重要的元素。

根据目前催化作用的刚性表面模型，过渡金属催化剂的紧密原子提供了一个二维表面，化学反应物粘附在上面并参与反应。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就会断裂，允许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'。每个人都假设的是，金属-金属键在它们催化的反应中保持完整，"马夫里卡基斯说。"因此，在这里，我们第一次提出了这样的问题：'打破反应物中的键的能量是否与破坏催化剂内的键所需的能量相似？"

根据Mavrikakis的建模，答案是肯定的。为许多催化过程提供的能量足以打破键，并允许单个金属原子（称为腺原子）弹出并开始在催化剂表面移动。这些腺原子结合成团，作为催化剂上的站点，化学反应可以比催化剂的原始刚性表面更容易发生。

利用一套特殊的计算方法，该团队研究了8种过渡金属催化剂和18种反应物的工业上重要的相互作用，确定了可能形成这种小型金属簇的能量水平和温度，以及每个簇中的原子数量，这也能极大地影响反应速度。

他们在加州大学伯克利分校的实验合作者使用原子分辨率的扫描隧道显微镜来观察一氧化碳在镍（111）上的吸附情况，镍是一种稳定的、在催化中有用的结晶形式。他们的实验证实了显示催化剂结构中的各种缺陷也能影响单个金属原子如何松动，以及反应点如何形成的模型。

马夫里卡基斯说，这个新框架正在挑战研究人员如何理解催化作用以及它如何发生的基础。它可能也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。它也与理解其他重要现象有关，包括腐蚀和摩擦学，或运动中的表面的相互作用。

研究人员正在重新审视在理解催化剂如何工作方面的一些非常成熟的假设，更广泛地说，分子如何与固体互动。