Ny forskning baner vejen for simulering af katalysatorer under reaktionsbetingelser

Beregningsmæssig katalyse, et felt, der simulerer og accelererer opdagelsen af ​​katalysatorer til kemikalieproduktion, har stort set været begrænset til simuleringer af idealiserede katalysatorstrukturer, der ikke nødvendigvis repræsenterer strukturer under realistiske reaktionsbetingelser.

Ny forskning fra University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, i samarbejde med Laboratory of Catalyse and Catalytic Processes (Department of Energy) på Politecnico di Milano i Milano, Italien, fremmer området for beregningsmæssig katalyse ved at bane vejen for simulering af realistiske katalysatorer under reaktionsbetingelser. Arbejdet, udgivet i ACS katalyse , blev skrevet af Raffaele Cheula, Ph.D. elev i Maestri-gruppen; Matteo Maestri, fuld professor i kemiteknik ved Politecnico di Milano; og Giannis "Yanni" Mpourmpakis, Bicentennial Alumni Faculty Fellow og lektor i kemiteknik ved Pitt.

"Med vores arbejde, man kan se, for eksempel, hvordan metalnanopartikler, der almindeligvis bruges som katalysatorer, kan ændre morfologien i et reaktivt miljø og påvirke katalytisk adfærd. Som resultat, vi kan nu simulere nanopartikelensembler, som kan fremme ethvert område med anvendelse af nanopartikler, som nanomedicin, energi, miljøet og mere, " siger Mpourmpakis. "Selvom vores applikation er fokuseret på katalyse, det har potentialet til at fremme simuleringer i nanoskala som helhed."

For at modellere katalyse under reaktionsbetingelser, forskerne skulle redegøre for katalysatorens dynamiske karakter, som sandsynligvis vil ændre sig gennem reaktionen. For at opnå dette, forskerne simulerede, hvordan katalysatorerne ændrer struktur, hvor sandsynlig denne ændring er, og hvordan den sandsynlighed påvirker de reaktioner, der finder sted på overfladen af ​​katalysatorerne.

"Katalyse står bag de fleste af de vigtige processer i vores daglige liv:fra produktion af kemikalier og brændstoffer til bekæmpelse af forurenende stoffer, " siger Maestri. "Vores arbejde baner vejen mod den grundlæggende analyse af struktur-aktivitetsforholdet i katalyse. Dette er altafgørende i enhver indsats i søgen efter ingeniørmæssig kemisk transformation på molekylært niveau ved at opnå en detaljeret mekanistisk forståelse af katalysatorens funktionalitet. Takket være Raffaeles ophold på Pitt, vi var i stand til at kombinere min gruppes ekspertise inden for mikrokinetisk og multiskalamodellering med Yannis gruppes ekspertise i nanomaterialesimuleringer og beregningskatalyse."

Hovedforfatter Raffaele Cheula, en ph.d. studerende i Maestri Lab, arbejdet i et år i Mpourmpakis Lab i Pitt på denne forskning.

"Det har været meget rart at være involveret i dette samarbejde mellem Yanni og Matteo" siger Cheula. "Kombinationen af ​​mine forskningserfaringer hos Pitt og hos PoliMi har været meget vigtig for færdiggørelsen af ​​dette arbejde. Det var et udfordrende emne, og jeg er meget glad for dette resultat".