촉매 작용의 새로운 돌파구로 막대한 에너지 절감 가능

University of Wisconsin-Madison의 화학 공학자들은 원자 수준에서 촉매 반응 모델을 개발하여 전산 화학 분야에서 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 새로운 이해는 촉매가 우리 삶에서 만나는 제품의 90%를 생산하는 데 중요한 역할을 하기 때문에 보다 효율적인 촉매, 조정된 산업 공정 및 상당한 에너지 절약으로 이어질 수 있습니다.

전산 화학의 주요 혁신에서 Wisconsin-Madison 대학의 화학 엔지니어는 촉매 반응이 원자 수준에서 어떻게 작동하는지 보여주는 모델을 만들었습니다. 이 새로운 이해를 통해 엔지니어와 화학자는 개선된 촉매를 설계하고 산업 절차를 개선할 수 있습니다. 이는 우리가 매일 사용하는 제품의 90% 생산에 촉매가 관여하기 때문에 막대한 에너지 절약으로 이어질 수 있습니다.

랭 쇼. 출처: University of Wisconsin-Madison

촉매는 스스로 변화를 겪지 않고 화학 반응을 가속화합니다. 그들은 석유 제품의 가공과 의약품, 플라스틱, 식품 첨가물, 비료, 환경 친화적 연료 및 다양한 산업용 화학 물질을 포함한 광범위한 품목의 생산에 중요한 역할을 합니다.

과학자와 엔지니어들은 촉매 반응을 조정하는 데 수십 년을 보냈지만 산업 규모에서 종종 촉매와 관련된 극한의 온도와 압력에서 이러한 반응을 직접 관찰하는 것은 현재 불가능하기 때문에 나노 및 원자에서 무슨 일이 일어나고 있는지 정확히 알지 못했습니다. 저울. 이 새로운 연구는 업계에 잠재적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 이 수수께끼를 푸는 데 도움이 됩니다.

사실 세 가지 촉매 반응, 즉 수소를 생산하기 위한 증기와 메탄의 개질, 비료를 생산하기 위한 암모니아의 합성, 메탄올의 합성이 세계 에너지의 거의 10%를 사용합니다.

이번 연구를 이끈 매디슨 대학 화학생물공학과 교수 마노스 마브리카키스(Manos Mavrikakis)는 말했다. “이러한 모든 프로세스를 실행하는 데 필요한 에너지를 줄이면 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있습니다.”

Mavrikakis와 박사후 연구원 Lang Xu, Konstantinos G. Papanicolaou는 대학원생 Lisa G와 함께 2023년 4월 7일 저널에 진행 상황에 대한 소식을 게시합니다. 과학.

마누 마브리카키스. 출처: University of Wisconsin-Madison

연구에서 워싱턴 대학 매디슨 엔지니어들은 원자 수준에서 촉매 반응을 시뮬레이션하기 위해 강력한 모델링 기술을 개발하고 사용했습니다. 이 연구에서 그들은 백금, 팔라듐, 로듐, 구리, 니켈 및 산업 및 녹색 에너지에 중요한 기타 요소를 포함하는 나노 입자 형태의 전이 금속 촉매와 관련된 반응을 조사했습니다.

현재의 고체 표면 촉매 모델에 따르면, 전이 금속 촉매의 조밀하게 채워진 원자는 반응 화학물질이 부착되어 반응에 참여하는 2차원 표면을 제공합니다. 충분한 압력, 열 또는 전기가 가해지면 화학 반응 물질의 원자 사이의 결합이 끊어져 파편이 새로운 화학 제품으로 재결합할 수 있습니다.

Mavrikakis는 “일반적인 가정은 이러한 금속 원자가 서로 강하게 결합되어 있고 단순히 반응물에 대한 ‘착륙 지점’을 제공한다는 것입니다. 모든 사람이 가정한 것은 금속-금속 결합이 촉매 작용을 하는 동안 손상되지 않고 남아 있다는 것입니다.”라고 Mavrikakis는 말합니다. 우리는 처음으로 “반응물의 결합을 끊는 에너지가 촉매 내부의 결합을 끊는 데 필요한 에너지와 같은 크기일 수 있을까?”라는 질문을 했습니다.

Mavrikakis 모델링에 따르면 대답은 ‘예’입니다. 많은 촉매 공정에 제공되는 에너지는 결합을 끊고 단일 금속 원자(adatoms로 알려짐)가 분리되어 촉매 표면에서 이동하기 시작하기에 충분합니다. 이러한 원자는 촉매의 원래 고체 표면보다 훨씬 더 쉽게 화학 반응이 발생할 수 있는 촉매의 사이트 역할을 하는 클러스터로 합쳐집니다.

연구팀은 특별한 계산의 조합을 사용하여 8개의 전이 금속 촉매와 18개의 반응물의 산업적으로 중요한 상호 작용을 조사하여 이러한 작은 금속 클러스터를 형성할 가능성이 있는 에너지 수준과 온도는 물론 각 그룹의 원자 수를 결정했습니다. 또한 반응 속도에 높음에 영향을 미칠 수 있습니다.

University of California, Berkeley의 실험 협력자들은 원자 주사 터널링 현미경을 사용하여 촉매 작용에 유용한 안정한 결정 형태의 니켈인 니켈(111)에 대한 일산화탄소의 흡착을 조사했습니다. 그들의 실험은 촉매 구조의 다양한 결함을 보여주는 모델이 단일 금속 원자가 해리되는 방식과 반응 사이트가 형성되는 방식에도 영향을 미칠 수 있음을 확인했습니다.

Mavrikakis는 새로운 프레임워크가 연구자들이 촉매작용을 이해하는 방법과 그것이 일어나는 방법에 대한 기초에 도전한다고 말했습니다. 그것은 또한 그가 향후 연구에서 조사할 다른 비금속 촉매에도 적용될 수 있습니다. 또한 침식 및 마찰학 또는 움직이는 표면의 상호 작용을 비롯한 다른 중요한 현상을 이해하는 것과도 관련이 있습니다.

Mavrikakis는 “우리는 촉매가 어떻게 작용하는지, 보다 일반적으로는 분자가 고체와 ​​어떻게 상호 작용하는지 이해하는 데 매우 잘 확립된 몇 가지 가정을 재검토하고 있습니다.”라고 말합니다.

참조: Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A.의 “표면 원자의 반응 유발 마이그레이션을 통한 전이 금속의 활성 사이트 형성” Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 2023년 4월 6일 여기에서 이용 가능합니다. 과학.
DOI: 10.1126/science.add0089

저자는 미국 에너지부, 기초 에너지 과학, 화학 과학부, 촉매 과학 프로그램, 그랜트 DE-FG02-05ER15731의 지원을 인정합니다. 계약 번호에 따라 미국 에너지부 재료 과학 및 공학부 기본 에너지 과학 사무소 물질 인터페이스 프로그램(FWP KC31SM)의 구조 및 역학에 의한 DE-AC02-05CH11231.

Mavrikakis는 화학과의 Miller 방문 교수직을 통해 UC Berkeley의 Miller Institute에서 재정적 지원을 인정합니다.

또한 이 팀은 NERSC BES 상 ERCAP0022773을 사용하여 계약 번호 DE-AC02-05CH11231에 따라 미국 에너지부 과학실에서 지원하는 DOE 과학 사용자 시설인 국립 에너지 연구 과학 컴퓨팅 센터를 사용했습니다.

컴퓨팅 작업의 일부는 DOE 계약 DE-AC02-06CH11357의 지원을 받아 Argonne National Laboratory에 위치한 Science User Facility의 DOE 사무실인 Center for Nanomaterials의 슈퍼컴퓨팅 리소스를 사용하여 수행되었습니다.