Beräkningskatalys, ett fält som simulerar och accelererar upptäckten av katalysatorer för kemikalieproduktion, har till stor del begränsats till simuleringar av idealiserade katalysatorstrukturer som inte nödvändigtvis representerar strukturer under realistiska reaktionsförhållanden.

Ny forskning från University of Pittsburghs Swanson School of Engineering, i samarbete med Laboratory of Catalysis and Catalytic Processes (Department of Energy) vid Politecnico di Milano i Milano, Italien, främjar området för beräkningskatalys genom att bana väg för simulering av realistiska katalysatorer under reaktionsförhållanden. Arbetet, publiceras i ACS-katalys , skrevs av Raffaele Cheula, Ph.D. student i Maestri-gruppen; Matteo Maestri, professor i kemiteknik vid Politecnico di Milano; och Giannis "Yanni" Mpourmpakis, Bicentennial Alumni Faculty Fellow och docent i kemiteknik vid Pitt.

"Med vårt arbete, man kan se, till exempel, hur metallnanopartiklar som vanligtvis används som katalysatorer kan förändra morfologin i en reaktiv miljö och påverka katalytiskt beteende. Som ett resultat, vi kan nu simulera nanopartikelensembler, som kan främja vilket område som helst av tillämpning av nanopartiklar, som nanomedicin, energi, miljön och mer, " säger Mpourmpakis. "Även om vår applikation är fokuserad på katalys, det har potential att främja simuleringar i nanoskala som helhet."

För att modellera katalys under reaktionsförhållanden, forskarna var tvungna att redogöra för katalysatorns dynamiska karaktär, vilket sannolikt kommer att förändras under reaktionen. För att åstadkomma detta, forskarna simulerade hur katalysatorerna ändrar struktur, hur trolig denna förändring är, och hur den sannolikheten påverkar reaktionerna som äger rum på ytan av katalysatorerna.

"Katalys ligger bakom de flesta av de viktiga processerna i vårt dagliga liv:från produktion av kemikalier och bränslen till minskning av föroreningar, " säger Maestri. "Vårt arbete banar väg för den grundläggande analysen av struktur-aktivitetsrelationen i katalys. Detta är avgörande i alla ansträngningar i strävan efter teknisk kemisk omvandling på molekylär nivå genom att uppnå en detaljerad mekanistisk förståelse av katalysatorns funktionalitet. Tack vare Raffaeles vistelse på Pitt, vi kunde kombinera min grupps expertis inom mikrokinetisk och multiskalig modellering med expertisen inom nanomaterialsimuleringar och beräkningskatalys hos Yannis grupp."

Huvudförfattare Raffaele Cheula, en Ph.D. student i Maestri Lab, arbetade ett år i Mpourmpakis Lab i Pitt med denna forskning.

"Det har varit väldigt trevligt att få vara delaktig i det här samarbetet mellan Yanni och Matteo", säger Cheula. "Kombinationen av mina forskningserfarenheter på Pitt och PoliMi har varit mycket viktig för slutförandet av detta arbete. Det var ett utmanande ämne och jag är mycket nöjd med det här resultatet".