اختراق جديد للحفز الحفزي يمكن أن يفتح تخزينًا هائلاً للطاقة

في تقدم كبير في مجال الكيمياء الحاسوبية ، طور المهندسون الكيميائيون في جامعة ويسكونسن ماديسون نموذجًا يوضح كيفية عمل التفاعلات التحفيزية على المستوى الذري. سيمكن هذا الفهم الجديد المهندسين والكيميائيين من تصميم محفزات محسنة وتحسين العمليات الصناعية ، مما يؤدي إلى توفير كبير في الطاقة ، حيث يشارك الحفز في إنتاج 90٪ من المنتجات التي نستخدمها يوميًا.

لونغ تشو. الائتمان: جامعة ويسكونسن ماديسون

تعمل المحفزات على تسريع التفاعلات الكيميائية دون الخضوع للتغييرات نفسها. يلعبون دورًا مهمًا في معالجة المنتجات البترولية وإنتاج مجموعة متنوعة من المنتجات بما في ذلك الأدوية والبلاستيك والمضافات الغذائية والأسمدة والوقود الصديق للبيئة والمواد الكيميائية الصناعية المختلفة.

عكف العلماء والمهندسون على ضبط التفاعلات التحفيزية على مدى عقود – ولكن نظرًا لأنه من المستحيل حاليًا مراقبة هذه التفاعلات بشكل مباشر في درجات الحرارة القصوى والضغوط التي غالبًا ما تكون مرتبطة بالحفز على النطاق الصناعي ، فهم لا يعرفون ما يحدث على المقياس النانوي والنانو . الأحجام الذرية. يساعد هذا البحث الجديد في كشف هذا اللغز ، إلى جانب التغييرات الرئيسية في الصناعة.

في الواقع ، تستخدم ثلاث تفاعلات تحفيزية – إعادة تشكيل الميثان بالبخار لإنتاج الهيدروجين ، وتوليف الأمونيا لإنتاج الأسمدة ، وتخليق الميثانول – 10٪ من طاقة العالم.

يقول مانوس مافريكاكيس ، أستاذ الهندسة الكيميائية والبيولوجية: “إذا خفضت درجة الحرارة التي تحتاج عندها هذه التفاعلات إلى إجراء بضع درجات ، فسيكون ذلك انخفاضًا كبيرًا في الطلب على الطاقة الذي نواجهه كبشرية اليوم”. قاد UW-Madison البحث. “من خلال تقليل متطلبات الطاقة لتشغيل كل هذه العمليات ، يمكنك أيضًا تقليل تأثيرها على البيئة.”

أبلغ مافريكاكيس وباحثا ما بعد الدكتوراه لانج شو وكونستانتينوس جي بابانيكولاو وطالبة الدراسات العليا ليزا جي عن تقدمهما في إصدار 7 أبريل 2023 من علوم.

مانو مافريكاكيس. الائتمان: جامعة ويسكونسن ماديسون

في أبحاثهم ، قام مهندسو جامعة واشنطن ماديسون بتطوير واستخدام تقنيات النمذجة القوية لمحاكاة التفاعلات التحفيزية على المستوى الذري. في هذه الدراسة ، نظروا في التفاعلات التي تنطوي على محفزات معدنية انتقالية في شكل جسيمات نانوية ، والتي تشمل عناصر مثل البلاتين والبلاديوم والروديوم والنحاس والنيكل وغيرها من العناصر المهمة في الصناعة والطاقة الخضراء.

وفقًا للنموذج الحالي للحفز ذي السطح الصلب ، توفر الذرات المعبأة بإحكام للمحفزات المعدنية الانتقالية سطحًا ثنائي الأبعاد تلتصق عليه التفاعلات الكيميائية وتشارك في التفاعلات. عندما يتم تطبيق ما يكفي من الضغط والحرارة أو الكهرباء ، تنكسر الروابط بين الذرات في التفاعلات الكيميائية ، مما يسمح للشظايا بالتجمع مرة أخرى في مواد كيميائية جديدة.

يقول مافريكاكيس: “الافتراض السائد هو أن هذه الذرات المعدنية مرتبطة ببعضها بقوة وتوفر” مواقع هبوط “للتفاعلات. ما يفترضه الجميع هو أن الروابط المعدنية المعدنية تظل سليمة أثناء التفاعلات التي تحفزها”. “لذا هنا ، ولأول مرة ، سألنا ،” هل يمكن أن تكون الطاقة اللازمة لكسر الروابط في التفاعل هي نفس الطاقة المطلوبة لتعطيل الروابط في المحفز؟ ” سألنا السؤال.

وفقًا لنمذجة مافريكاكيس ، الإجابة هي نعم. بالنسبة للعديد من العمليات التحفيزية ، تكون الطاقة الموردة كافية لكسر الروابط ، مما يسمح للذرات المعدنية المفردة (تسمى adatoms) بالذوبان والانتقال عبر سطح المحفز. تتجمع هذه المواد adatoms في مجموعات تعمل كمواقع على المحفز ، حيث تحدث التفاعلات الكيميائية بسهولة أكبر من تلك الموجودة على السطح الصلب الأصلي للمحفز.

باستخدام مجموعة من الحسابات المتخصصة ، نظر الفريق في ثمانية محفزات معدنية انتقالية وتفاعلات مهمة صناعيًا لـ 18 تفاعلًا ، مثل مستويات الطاقة ودرجة الحرارة ، لتحديد احتمال تكوين مجموعات معدنية صغيرة وعدد الذرات في كل عنقود. يؤثر بشكل كبير على معدلات التفاعل.

استخدم متعاونوهم التجريبيون في جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، الفحص المجهري النفق بالمسح الذري لفحص امتصاص أول أكسيد الكربون على النيكل (111) ، وهو شكل بلوري مستقر من النيكل مفيد في التحفيز. أكدت تجاربهم أن النماذج التي أظهرت عيوبًا مختلفة في بنية المحفز يمكن أن تؤثر على كيفية ارتخاء ذرات المعدن المفردة ، وكذلك كيفية تشكل مواقع التفاعل.

يقول مافريكاكيس إن الإطار الجديد يتحدى أسس كيفية فهم الباحثين للحفز الكيميائي وكيف يحدث. ينطبق هذا أيضًا على المحفزات غير المعدنية الأخرى ، والتي سيبحث عنها في العمل المستقبلي. كما أنه مهم لفهم الظواهر المهمة الأخرى بما في ذلك التعرية والترايبولوجي ، أو تفاعل الأسطح المتحركة.

يقول مافريكاكيس: “نحن نعيد التفكير في بعض الافتراضات الراسخة في فهم كيفية عمل المحفزات ، وبشكل أعم ، كيف تتفاعل الجزيئات مع المواد الصلبة”.

المرجع: Long Xu، Konstantinos G. بابانيكولاو ، باربرا إيه جيه ، ليشنر ، ليزا جيه ، جابور أ. سومورجوي ، مايكل تشالميرون مانوس مافريكاكيس ، 6 أبريل 2023 ، “تشكيل المواقع النشطة في المعادن الانتقالية عن طريق الهجرة المدفوعة برد الفعل للذرات السطحية” علوم.
DOI: 10.1126 / science.add0089

يعترف المؤلفون بالدعم المقدم من وزارة الطاقة الأمريكية ، وعلوم الطاقة الأساسية ، وقسم العلوم الكيميائية ، وبرنامج علوم الحفز ، Grant DE-FG02-05ER15731 ؛ مكتب علوم الطاقة الأساسية ، قسم علوم وهندسة المواد ، العقد رقم. DE-AC02-05CH11231 ، من خلال هيكل وميكانيكا برنامج واجهة المواد (FWP KC31SM).

يعترف مافريكاكيس بالدعم المالي من معهد ميلر في جامعة كاليفورنيا في بيركلي من خلال الأستاذية الزائرة ميلر في قسم الكيمياء.

منح NERSC BES- ERCAP0022773 باستخدام العقد رقم. استخدم الفريق أيضًا المركز الوطني للحوسبة العلمية لبحوث الطاقة ، وهو أحد مكاتب وزارة الطاقة لمنشأة مستخدم العلوم بدعم من مكتب العلوم التابع لوزارة الطاقة الأمريكية بموجب DE-AC02-05CH11231.

تم تنفيذ جزء من العمل الحسابي باستخدام موارد الحوسبة الفائقة في مركز المواد النانوية ، وهو أحد مكاتب وزارة الطاقة التابع لمنشأة مستخدم العلوم الموجودة في مختبر أرجون الوطني ، بدعم من عقد وزارة الطاقة DE-AC02-06CH11357.