Les ingénieurs chimistes de l’Université du Wisconsin-Madison ont fait une percée dans la chimie computationnelle en développant des modèles de réactions catalytiques au niveau atomique. Cette nouvelle compréhension peut conduire à des catalyseurs plus efficaces, à des procédés industriels adaptés et à des économies d’énergie importantes, puisque les catalyseurs jouent un rôle important dans la fabrication de 90 % des produits que nous rencontrons dans nos vies.
Dans une percée majeure en chimie computationnelle, des ingénieurs chimistes de l’Université du Wisconsin-Madison ont créé un modèle qui montre comment les réactions catalytiques fonctionnent au niveau atomique. Cette nouvelle compréhension peut permettre aux ingénieurs et aux chimistes de concevoir de meilleurs catalyseurs et d’améliorer les procédures industrielles, ce qui pourrait entraîner d’énormes économies d’énergie, puisque la catalyse est impliquée dans la production de 90 % des produits que nous utilisons chaque jour.
Lang Shaw. Crédit : Université du Wisconsin-Madison
Les catalyseurs accélèrent les réactions chimiques sans se modifier. Ils jouent un rôle important dans la transformation des produits pétroliers et la production d’une grande variété de produits, notamment les produits pharmaceutiques, les plastiques, les additifs alimentaires, les engrais, les carburants respectueux de l’environnement et divers produits chimiques industriels.
Les scientifiques et les ingénieurs ont passé des décennies à affiner les réactions catalytiques, mais comme il est actuellement impossible de les observer directement aux températures et pressions extrêmes souvent associées à la catalyse à l’échelle industrielle, ils ne savent pas exactement ce qui arrive à l’échelle nanométrique et aux atomes. . Balance. Cette nouvelle recherche aide à percer ce mystère avec des ramifications potentiellement énormes pour l’industrie.
En fait, seules trois réactions catalytiques – le reformage de la vapeur et du méthane pour produire de l’hydrogène, la synthèse de l’ammoniac pour produire des engrais et la synthèse du méthanol – utilisent près de 10 % de l’énergie mondiale.
a déclaré Manos Mavrikakis, professeur de génie chimique et biologique à Madison qui a dirigé la recherche. “En réduisant l’énergie dont vous avez besoin pour exécuter tous ces processus, vous réduisez également l’impact sur l’environnement.”
Mavrikakis et les chercheurs postdoctoraux Lang Xu et Konstantinos G. Papanicolaou ainsi que l’étudiante diplômée Lisa G publient des nouvelles de leurs progrès dans le numéro du 7 avril 2023 de la revue Connaissance.
Manu Mavrikakis. Crédit : Université du Wisconsin-Madison
Dans leurs recherches, les ingénieurs de l’Université de Washington Madison ont développé et utilisé de puissantes techniques de modélisation pour simuler des réactions catalytiques au niveau atomique. Dans cette étude, ils ont observé des réactions impliquant des catalyseurs de métaux de transition sous forme de nanoparticules, qui comprennent des éléments tels que le platine, le palladium, le rhodium, le cuivre, le nickel et d’autres importants pour l’industrie et l’énergie verte.
Selon le modèle actuel de catalyse à surface solide, les atomes solides du catalyseur de métal de transition fournissent une surface bidimensionnelle à laquelle les produits chimiques réactifs se fixent et participent à la réaction. Lorsque suffisamment de pression, de chaleur ou d’électricité sont appliquées, les liaisons entre les atomes des réactifs chimiques se rompent, permettant aux fragments de se recombiner en de nouveaux produits chimiques.
“L’hypothèse dominante est que ces atomes métalliques sont fortement liés les uns aux autres et ne fournissent que des” points d’atterrissage “pour les réactifs. Ce que tout le monde supposait, c’était que la liaison métal-métal restait intacte pendant la réaction qu’elle catalysait”, a déclaré Mavrikakis. « Alors là, pour la première fois, on pose une question. , “L’énergie qui rompt les liaisons dans les réactifs pourrait-elle être aussi grande que l’énergie nécessaire pour rompre les liaisons dans le catalyseur?”
Selon le modèle de Mavrikakis, la réponse est oui. L’énergie fournie pour de nombreux processus catalytiques est suffisante pour rompre les liaisons et permettre à des atomes métalliques simples (appelés adatomes) de se séparer et de commencer à marcher sur la surface du catalyseur. Ces adatomes fusionnent en groupes, qui agissent comme des sites sur le catalyseur où les réactions chimiques peuvent se produire beaucoup plus facilement que la surface solide d’origine du catalyseur.
À l’aide d’une combinaison de calculs spéciaux, l’équipe a examiné les importantes interactions industrielles de huit catalyseurs de métaux de transition et de 18 réactifs, déterminant les niveaux d’énergie et les températures susceptibles de former ces minuscules amas métalliques, ainsi que le nombre d’atomes dans chaque groupe, ce qui peut également avoir un effet important sur les taux de réaction.
Leurs collaborateurs expérimentaux de l’Université de Californie à Berkeley ont utilisé un microscope à effet tunnel à balayage atomique pour examiner l’adsorption du monoxyde de carbone sur le nickel (111), une forme cristalline stable de nickel utile en catalyse. Leurs expériences ont confirmé que les modèles montrant des défauts dans les structures catalytiques peuvent également influencer la façon dont les atomes métalliques simples se dissocient, ainsi que la façon dont les sites de réaction se forment.
Mavrikakis dit que le nouveau cadre remet en question les fondements de la façon dont les chercheurs comprennent la catalyse et comment elle se produit. Cela peut également s’appliquer à d’autres catalyseurs non métalliques, qu’il étudiera à l’avenir. Il est également pertinent pour comprendre d’autres phénomènes importants, notamment l’érosion et la tribologie, ou l’interaction des surfaces en mouvement.
“Nous réexaminons certaines hypothèses très bien établies pour comprendre le fonctionnement des catalyseurs et, plus généralement, la manière dont les molécules interagissent avec les solides”, a déclaré Mavrikakis.
Référence : “Active Site Formation in Transition Metals Through Reaction-Induced Migration of Surface Atoms” par Lang Shaw, Konstantinos G. Papanicolaou, Barbara AJ Lechner, Lisa G, Gabor A. Somorgay, Mikel Salmeron Manos Mavrikakis 6 avril 2023 Disponible ici. Connaissance.
DOI : 10.1126/science.add0089
Les auteurs reconnaissent le soutien du département américain de l’énergie, des sciences énergétiques fondamentales, du département des sciences chimiques et du programme scientifique de catalyse, Grant DE-FG02-05ER15731 ; Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Science and Engineering, US Department of Energy sous le contrat No. DE-AC02-05CH11231, avec le programme Structure et dynamique des interfaces matérielles (FWP KC31SM).
Mavrikakis reconnaît le soutien financier du Miller Institute de l’UC Berkeley par le biais de la chaire de professeur invité Miller au Département de chimie.
L’équipe utilise également le National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Science Office soutenue par le US Department of Energy’s Office of Science sous le contrat No. DE-AC02-05CH11231 utilise le prix NERSC BES-ERCAP0022773.
Une partie du travail de calcul a été effectuée à l’aide des ressources de supercalcul du Center for Nanomaterials, le bureau du DOE de l’installation des utilisateurs scientifiques situé au Laboratoire national d’Argonne, avec le soutien du contrat DOE DE-AC02-06CH11357.
