Новости космоса и технологий. » Химия » Настраиваемый катализ: решение загадки размера частиц

Настраиваемый катализ: решение загадки размера частиц

Опубликовал: Admin, 27-10-2021, 23:16, Химия, 34, 0

Настраиваемый катализ: решение загадки размера частиц

Химические реакции можно изучать на разных уровнях: на уровне отдельных атомов и молекул можно создавать новые соединения. На уровне крошечных частиц в масштабе нано и микрометра можно понять, как материалы катализатора влияют на химические реакции. А чтобы использовать химические реакции в промышленности, необходимо смотреть в макроскопическом масштабе.

Обычно для каждой области используются разные подходы. Но для комплекса этого недостаточно. химические реакции на поверхности катализатора. В TU Wien (Вена) был сделан важный шаг: впервые появилась возможность соединить все уровни от микроскопического до макроскопического, чтобы описать технологически важный химический реакция в реальных условиях. Это позволяет понять, почему размер частиц катализатора играет решающую роль. Результаты опубликованы в научном журнале Nature Communications .

Изомеры: один и тот же состав, разные молекулы

Многие молекулы бывают разных вариантов: один и тот же набор атомов может быть устроен по-разному, и их тогда называют «изомерами». Важно различать эти изомеры - например, определенный изомер углеводородного бутена подходит для производства топлива, но другой вариант бутена является предпочтительным для производства полимеров. Получение именно желаемых изомеров или преобразование одного изомера в другой - сложная задача, которую можно решить с помощью очень специфических катализаторов.

«Особенно важным катализатором для таких процессов является палладий», - говорит профессор Гюнтер Руппрехтер из Института химии материалов Венского технического университета. «Обычно палладий помещается на поверхность в виде крошечных нанокристаллов. Определенные молекулы затем связываются с этими гранулами, и это способствует химической реакции».

Хорошо известно, что размер частиц часто имеет решающее значение для конкретной каталитической функции, но в большинстве случаев не было подробных объяснений того, как это работает. «Невозможно создать полномасштабную квантово-химическую модель этих частиц на компьютере, потому что они просто состоят из слишком большого количества атомов», - говорит доктор Александр Дженест, первый автор настоящего исследования. «Поэтому мы должны найти альтернативы для комбинирования различных методов изучения химического катализа».

Реалистичные условия вместо идеализированных систем

Исследовательская группа TU Wien и ее партнеры по сотрудничеству из Сингапура, Аликанте и Мюнхена выбрали сложную, но важную реакцию для своих исследований: изомеризацию алкенов. "Это особенно сложно, потому что есть несколько реакцийпути, которые одновременно играют роль, - говорит Гюнтер Руппрехтер. - Для нас было важно изучить реакцию в реальных условиях: в предыдущих фундаментальных исследованиях реакции часто анализировались в (сверх) высоком вакууме при низких температурах. Но в промышленных условиях приходится иметь дело с совершенно другими параметрами. Поэтому мы хотели выяснить, как эта изомеризация происходит при атмосферном давлении и 100 ° C. "

Команда начала с уровня атомов и молекул: «С помощью теории функционала плотности мы можем моделировать этапы элементарной реакции молекул, которые присоединяются к различным граням кристаллов палладия», - говорит Александр Генест. Эти расчеты дают параметры для так называемых микрокинетических моделей, которые можно использовать для предсказания динамики химических реакций в гораздо большем масштабе времени на компьютере. И из этих результатов, в свою очередь, можно сделать вывод. общее количество желаемых химических продуктов, которые будут присутствовать через определенное время при определенных параметрах.

«Модельные расчеты очень хорошо согласуются с нашими экспериментальными измерениями не только качественно, но и количественно», emph - оценивает профессор Гюнтер Руппрехтер. «Это важный прорыв - такое соглашение раньше не было возможным». Теперь можно подробно объяснить, почему частицы палладия разных размеров по-разному влияют на химические процессы : Крупные частицы имеют гладкую поверхность, а более мелкие - более округлые и ступенчатые. Расположение атомов палладия в альтернативной геометрии влияет на энергию реакции и, следовательно, на каталитическое поведение.

Оптимальные результаты вместо проб и ошибок

«Когда вы оптимизируете химический процесс в промышленности, вам часто приходится полагаться на метод проб и ошибок», - говорит Гюнтер Руппрехтер. «Какие внешние параметры следует выбрать? Какие катализаторы вы используете и в какой форме? Это вопросы, на которые до сих пор вряд ли можно было дать теоретический ответ». Обычно тестируется несколько вариантов, а затем выбирается наиболее удачный. Но если затем предполагается масштабирование процесса от лабораторного до промышленного, могут потребоваться совершенно другие параметры.

«Теперь мы показали, что вы можете всесторонне понять такие процессы, если свяжете несколько шкал времени и длины», - говорит Александр Генест. «Этот подход, конечно, также применим ко многим другим каталитическим реакциям». Таким образом, в химической промышленности появится возможность оптимизировать процессы химического производства с помощью компьютерного моделирования и в то же время свести к минимуму дорогостоящий и трудоемкий сравнительный анализ.


Источник


У данной публикации еще нет комментариев. Хотите начать обсуждение?

Написать комментарий
Имя:*
E-Mail:
Введите код: *
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив


Поиск по сайту
Полезные ссылки
Оцените работу сайта

TEHNONEWS

Новости космоса технологий нанотехнологий физики и химии