촉매 작용에 대한 새로운 원자 수준의 이해로 막대한 에너지 절감 가능

전산 화학 연구의 돌파구를 고려한 진보에서 위스콘신 대학-매디슨 화학 엔지니어는 촉매 반응이 원자 규모에서 어떻게 작동하는지에 대한 모델을 개발했습니다. 이러한 이해를 통해 엔지니어와 화학자는 보다 효율적인 촉매를 개발하고 산업 공정을 조정할 수 있습니다. 우리 삶에서 접하는 제품의 90%가 적어도 부분적으로는 촉매 작용을 통해 생산된다는 점을 감안할 때 막대한 에너지 절감 효과가 있을 수 있습니다.

촉매 물질은 자체 변화 없이 화학 반응을 가속화합니다. 석유 제품을 정제하고 의약품, 플라스틱, 식품 첨가물, 비료, 녹색 연료, 산업용 화학 물질 등을 제조하는 데 매우 중요합니다.

과학자와 엔지니어들은 촉매 반응을 미세 조정하는 데 수십 년을 보냈습니다. 그러나 현재로서는 산업 규모의 촉매 작용과 관련된 극한의 온도와 압력에서 이러한 반응을 직접 관찰하는 것이 불가능하기 때문에 나노에서 일어나는 일을 정확히 알지 못했습니다. 그리고 원자 규모. 이 새로운 연구는 업계에 잠재적으로 큰 영향을 미칠 수 있는 미스터리를 밝히는 데 도움이 됩니다.

사실 세 가지 촉매 반응(수소를 생산하는 증기-메탄 개질, 비료를 생산하는 암모니아 합성, 메탄올 합성)만이 세계 에너지의 거의 10%를 사용합니다.

“이러한 반응을 실행해야 하는 온도를 단 몇 도만 낮추면 오늘날 인류가 직면한 에너지 수요가 엄청나게 감소할 것입니다.”라고 화학 및 생물 공학 교수인 Manos Mavrikakis는 말합니다. 연구를 주도한 UW-Madison. “이러한 모든 프로세스를 실행하는 데 필요한 에너지를 줄임으로써 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있습니다.”

Mavrikakis와 박사후 연구원 Lang Xu, Konstantinos G. Papanikolaou는 대학원생 Lisa Je와 함께 저널 2023년 4월 7일호에 그들의 진출 소식을 발표했습니다. 과학.

연구에서 UW-Madison 엔지니어는 강력한 모델링 기술을 개발하고 사용하여 원자 규모에서 촉매 반응을 시뮬레이션합니다. 이 연구를 위해 그들은 백금, 팔라듐, 로듐, 구리, 니켈 및 기타 산업 및 녹색 에너지와 같은 요소를 포함하는 나노 입자 형태의 전이 금속 촉매와 관련된 반응을 조사했습니다.

현재의 단단한 표면 촉매 모델에 따르면, 전이 금속 촉매의 조밀하게 채워진 원자는 화학 반응물이 부착하고 반응에 참여하는 2D 표면을 제공합니다. 충분한 압력과 열 또는 전기가 가해지면 화학 반응물에서 원자 사이의 결합이 끊어져 파편이 새로운 화학 제품으로 재결합할 수 있습니다.

“일반적인 가정은 이러한 금속 원자가 서로 강하게 결합되어 반응물에 대한 ‘착륙 지점’을 제공한다는 것입니다. 모두가 가정한 것은 금속-금속 결합이 촉매 작용을 하는 동안 그대로 유지된다는 것입니다.”라고 Mavrikakis는 말합니다. “그래서 여기서 처음으로 우리는 ‘반응물에서 결합을 끊는 데 필요한 에너지가 촉매 내에서 결합을 끊는 데 필요한 에너지와 비슷한 양일 수 있을까?’라는 질문을 했습니다.”

Mavrikakis의 모델링에 따르면 대답은 ‘예’입니다. 발생하는 많은 촉매 공정에 제공되는 에너지는 결합을 끊고 단일 금속 원자(adatoms로 알려짐)가 튀어나와 촉매 표면에서 이동하기 시작하기에 충분합니다. 이러한 원자는 클러스터로 결합되어 촉매의 원래 딱딱한 표면보다 화학 반응이 훨씬 쉽게 일어날 수 있는 촉매의 사이트 역할을 합니다.

일련의 특별한 계산을 사용하여 팀은 8개의 전이 금속 촉매와 18개의 반응물의 산업적으로 중요한 상호작용을 조사하여 이러한 작은 금속 클러스터를 형성할 가능성이 있는 에너지 수준과 온도는 물론 각 클러스터의 원자 수를 식별했습니다. 반응 속도에 크게 영향을 미칩니다.

University of California, Berkeley의 실험 협력자들은 원자 분해 주사 터널링 현미경을 사용하여 촉매 작용에 유용한 안정한 결정 형태의 니켈인 니켈(111)에 대한 일산화탄소 흡착을 관찰했습니다. 그들의 실험은 촉매 구조의 다양한 결함을 보여주는 모델이 단일 금속 원자가 어떻게 튀어 나오는지, 반응 사이트가 어떻게 형성되는지에 영향을 미칠 수 있음을 확인했습니다.

Mavrikakis는 새로운 프레임워크가 연구자들이 촉매작용을 이해하는 방법과 그것이 일어나는 방법에 대한 기초에 도전하고 있다고 말합니다. 이는 다른 비금속 촉매에도 적용될 수 있으며 향후 연구에서 조사할 것입니다. 또한 부식 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 이해하기 위해 매우 잘 확립된 몇 가지 가정을 재검토하고 있습니다.”라고 말했습니다.

Manos Mavrikakis는 University of Wisconsin-Madison의 Ernest Micek 석좌교수, James A. Dumesic 교수, Vilas 석좌교수입니다.

다른 저자로는 뮌헨 기술 대학의 Barbara AJ Lechner, 로렌스 버클리 국립 연구소 및 캘리포니아 버클리 대학의 Gabor A. Somorjai 및 Miquel Salmeron이 있습니다.

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

Mavrikakis는 화학과의 방문 밀러 교수직을 통해 UC 버클리 밀러 연구소의 재정적 지원을 인정합니다.

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

컴퓨팅 작업의 일부는 DOE 계약 DE-AC02-06CH11357의 지원을 받는 Argonne National Laboratory에 위치한 DOE 과학 사용자 시설의 DOE Office of Nanoscale Materials에서 슈퍼컴퓨팅 리소스를 사용하여 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/04/230406152650.htm