Att bestämma de optimala bindningsenergierna för heterogena kemiska reaktioner - vanligtvis att reaktanten befinner sig i gas- eller vätskefasen medan katalysatorn är en fast substans - är avgörande för många aspekter av det moderna samhället, eftersom vi förlitar oss på sådana reaktioner för processer som är så olika som produktion av gödningsmedel och plast. Det finns en optimal bindningsenergi - det vill säga graden av interaktion mellan reaktanterna och katalysatorn - där processen är mest effektiv (om den är för låg, reaktanterna reagerar inte med katalysatorn, och om det är för högt förblir de bundna till det), och katalysatorer är konstruerade baserat på detta.
Nu, i en upptäckt som kan leda till utveckling av nya katalysatorer som inte förlitar sig på dyra sällsynta metaller, forskare från RIKEN Center for Sustainable Resource Science har visat att den optimala bindningsenergin kan avvika från traditionella beräkningar, som är baserade på jämviktstermodynamik, vid höga reaktionshastigheter. Detta innebär att det kan vara nödvändigt att ompröva utformningen av katalysatorer med de nya beräkningarna för att uppnå de bästa hastigheterna.
Heterogena kemiska reaktioner används i många industriella processer. Några av de mest kända är produktionen av ammoniak via Haber-Bosch-processen, produktion av plast med hjälp av Ziegler-Natta-reaktionen, och avsvavling av petroleum. År 1911, föreslog den franske kemisten Paul Sabatier, baserat på experiment, att det finns en optimal bindningsenergi som gör att den katalytiska aktiviteten kan maximeras. Nyligen, framsteg inom beräkningskemi har gett ett ramverk för beräkning av optimal bindningsenergi, baserad på jämviktstermodynamik och antar att processen kommer att gå smidigt om alla steg i processen är termodynamiskt gynnsamma. Här, katalysatorns roll är att förbättra termodynamiken för det mest ogynnsamma steget. Fångsten är att "optimalt" vanligtvis förstås som att reaktionen kräver så lite drivkraft som möjligt, så att det är termodynamiskt effektivt, men i den verkliga världen är det ofta mer praktiskt att ha en högre katalyshastighet, även om en större drivkraft är nödvändig.
Teamet utförde en ny uppsättning beräkningar, baserat på reaktionskinetisk modellering, som tar hänsyn till denna avvikelse, och beräknade nya optimala bindningsenergier för väteoxidation, som använder heterogen katalys, fann att beräkningarna gav olika värden vid höga reaktionshastigheter. "Vi var glada att se, "säger Hideshi Ooka, den första författaren till studien, "att våra beräkningar förutsäger nya strategier för katalysatordesign som inte kunde ha erhållits med den traditionella, termodynamiskt tillvägagångssätt. "
Enligt Ryuhei Nakamura, chef för Center for Sustainable Resource Center's Biofunctional Catalyst Research Team, "Baserat på detta fynd, vi planerar att leta efter nya katalysatorer, med hjälp av element som koppar eller nickel, som kan driva heterogena katalytiska reaktioner framåt men är billigare och mer miljövänliga än de nuvarande, som ofta kräver ädelmetaller som platina och palladium. "
Han fortsätter, "Följaktligen, forskning för att hitta nya katalysatorer med vår metod kan bidra till att nå tre av FN:s mål för hållbar utveckling:Mål 7 (prisvärd och ren energi), Mål 12 (ansvarsfull produktion och konsumtion), och mål 13 (klimatåtgärder). "
Studien publiceras i The Journal of Physical Chemistry Letters .
