Unvorhersehbare Reaktionen vorhersagen
Weg für die Simulation von Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen geebnet
Die Computerkatalyse, ein Bereich, der die Entdeckung von Katalysatoren für die chemische Produktion simuliert und beschleunigt, hat sich weitgehend auf Simulationen idealisierter Katalysatorstrukturen beschränkt, die nicht unbedingt Strukturen unter realistischen Reaktionsbedingungen darstellen.
Eine Illustration von Nanopartikeln unter Reaktionsbedingungen war auf der Titelseite von ACS Catalysis zu sehen.
Raffaele Cheula
Neue Forschungsarbeiten der Swanson School of Engineering der Universität Pittsburgh in Zusammenarbeit mit dem Labor für Katalyse und katalytische Prozesse (Abteilung für Energie) am Politecnico di Milano in Mailand, Italien, bringen das Gebiet der rechnergestützten Katalyse voran, indem sie den Weg für die Simulation realistischer Katalysatoren unter Reaktionsbedingungen ebnen. Die in ACS Catalysis veröffentlichte Arbeit wurde von Raffaele Cheula, Doktorand in der Maestri-Gruppe, Matteo Maestri, ordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen am Politecnico di Milano, und Giannis "Yanni" Mpourmpakis, zweihundertjähriger Alumni-Faculty Fellow und außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen in Pitt, verfasst.
"Mit unserer Arbeit kann man zum Beispiel sehen, wie Metallnanopartikel, die üblicherweise als Katalysatoren verwendet werden, die Morphologie in einer reaktiven Umgebung verändern und das katalytische Verhalten beeinflussen können. Infolgedessen können wir jetzt Nanopartikel-Ensembles simulieren, die jeden Bereich der Anwendung von Nanopartikeln voranbringen können, wie Nanomedizin, Energie, Umwelt und mehr", sagt Mpourmpakis. "Obwohl sich unsere Anwendung auf die Katalyse konzentriert, hat sie das Potenzial, Simulationen im Nanobereich insgesamt voranzubringen".
Um die Katalyse unter Reaktionsbedingungen zu modellieren, mussten die Forscher den dynamischen Charakter des Katalysators berücksichtigen, der sich während der Reaktion wahrscheinlich ändert. Um dies zu erreichen, simulierten die Forscher, wie die Katalysatoren ihre Struktur verändern, wie wahrscheinlich diese Veränderung ist und wie sich diese Wahrscheinlichkeit auf die Reaktionen auswirkt, die auf der Oberfläche der Katalysatoren ablaufen.
"Die Katalyse steht hinter den meisten wichtigen Prozessen in unserem täglichen Leben: von der Herstellung von Chemikalien und Kraftstoffen bis zur Schadstoffbekämpfung", sagt Maestri. "Unsere Arbeit ebnet den Weg für die grundlegende Analyse der Struktur-Aktivitäts-Beziehung in der Katalyse. Dies ist bei allen Bemühungen um eine ingenieurmäßige chemische Umwandlung auf molekularer Ebene von größter Bedeutung, indem wir ein detailliertes mechanistisches Verständnis der Katalysatorfunktionalität erreichen. Dank Raffaele's Aufenthalt in Pitt waren wir in der Lage, das Fachwissen in mikrokinetischer und Multiskalenmodellierung meiner Gruppe mit dem Fachwissen in Nanomaterial-Simulationen und rechnergestützter Katalyse von Yanni's Gruppe zu kombinieren".
Hauptautor Raffaele Cheula, ein Doktorand im Maestri-Labor, arbeitete ein Jahr lang im Mpourmpakis-Labor in Pitt an dieser Forschung. "Es war sehr schön, an dieser Zusammenarbeit zwischen Yanni und Matteo beteiligt zu sein", sagt Cheula. "Die Kombination meiner Forschungserfahrungen in Pitt und am PoliMi war für den Abschluss dieser Arbeit sehr wichtig. Es war ein herausforderndes Thema, und ich bin mit diesem Ergebnis sehr zufrieden".
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