11.06.2020 - University of Pittsburgh

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.

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".

Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
Mehr über University of Pittsburgh
  • News

    Kleben bleiben: CO₂ aus der Luft fischen

    Direct Air Capture (DAC) könnte der Schlüssel zur Rettung der Erde vor den Auswirkungen des Klimawandels sein, aber es gibt einen Haken: Es ist wirklich schwer zu machen. Technologien zur Direct Air Capture sind darauf ausgelegt, Kohlendioxid aus der Luft zu entfernen, obwohl es bei DAC-Mat ... mehr

    Forscher zeigen: Chirale Oxid-Katalysatoren richten Elektronenspin aus

    Die Kontrolle des Eigendrehimpulses (Spins) von Elektronen eröffnet künftige Anwendungsszenarien in der spinbasierten Elektronik (Spintronik), beispielsweise zur Informationsverarbeitung. Außerdem bietet sie neue Möglichkeiten, die Selektivität und Effizienz von chemischen Reaktionen zu kon ... mehr

    Nachhaltige neue chemische Katalysatoren schaffen

    Ingenieure sind bei einer Vielzahl von Anwendungen, von der Lebensmittelherstellung bis zur chemischen Produktion, auf Katalysatoren angewiesen. Die Suche nach effizienten, umweltfreundlichen Katalysatoren ist daher ein wichtiger Forschungszweig. Neue Forschungsarbeiten unter der Leitung de ... mehr

Mehr über Politecnico di Milano
  • News

    Smogfressender Graphenverbundstoff reduziert Luftverschmutzung

    Graphene Flagship hat in Partnerschaft mit der Universität Bologna, des Politecnico di Milano, CNR, NEST, Italcementi HeidelbergCement Group, des Israel Institute of Technology, der Eindhoven University of Technology und der University of Cambridge einen Graphen-Titandioxid-Photokatalysator ... mehr

    Germanium wird lasertauglich

    Forscher von der ETH Zürich, dem Paul Scherrer Institut PSI und dem Politecnico di Milano haben gemeinsam eine Fabrikationstechnik entwickelt, mit der sie den Halbleiter Germanium durch starke Zugspannung lasertauglich machen können. In ihrer kürzlich in «Nature Photonics» erschienenen Publ ... mehr

    Hochgenaue Charakterisierung dünnster dielektrischer Schichten

    Im Rahmen einer binationalen Masterarbeit wurde am Fraunhofer IISB in Erlangen eine neuartige Messmethode zur Charakterisierung ultradünner dielektrischer Schichten optimiert. Anna Alessandri von der Universität „Politecnico di Milano“ arbeitete zusammen mit Wissenschaftlern des IISB an der ... mehr