Добавить новость
smi24.net
News in English
Апрель
2023

New atomic-scale understanding of catalysis could be energy breakthrough

0

In an advance they consider a breakthrough in computational chemistry research, University of Wisconsin–Madison chemical engineers have developed model of how catalytic reactions work at the atomic scale.

This understanding could allow engineers and chemists to develop more efficient catalysts and tune industrial processes — potentially with enormous energy savings, given that 90% of the products we encounter in our lives are produced, at least partially, via catalysis.

Catalyst materials accelerate chemical reactions without undergoing changes themselves. They are critical for refining petroleum products and for manufacturing pharmaceuticals, plastics, food additives, fertilizers, green fuels, industrial chemicals and much more.

Scientists and engineers have spent decades fine-tuning catalytic reactions — yet because it’s currently impossible to directly observe those reactions at the extreme temperatures and pressures often involved in industrial-scale catalysis, they haven’t known exactly what is taking place on the nano and atomic scales. This new research helps unravel that mystery with potentially major ramifications for industry.

In fact, just three catalytic reactions — steam-methane reforming to produce hydrogen, ammonia synthesis to produce fertilizer, and methanol synthesis — use close to 10% of the world’s energy.

“If you decrease the temperatures at which you have to run these reactions by only a few degrees, there will be an enormous decrease in the energy demand that we face as humanity today,” says Manos Mavrikakis, a professor of chemical and biological engineering at UW–Madison who led the research. “By decreasing the energy needs to run all these processes, you are also decreasing their environmental footprint.”

Mavrikakis and postdoctoral researchers Lang Xu and Konstantinos G. Papanikolaou along with graduate student Lisa Je published news of their advance in the April 7, 2023 issue of the journal Science.

In their research, the UW–Madison engineers develop and use powerful modeling techniques to simulate catalytic reactions at the atomic scale. For this study, they looked at reactions involving transition metal catalysts in nanoparticle form, which include elements like platinum, palladium, rhodium, copper, nickel, and others important in industry and green energy.

According to the current rigid-surface model of catalysis, the tightly packed atoms of transition metal catalysts provide a 2D surface that chemical reactants adhere to and participate in reactions. When enough pressure and heat or electricity is applied, the bonds between atoms in the chemical reactants break, allowing the fragments to recombine into new chemical products.

“The prevailing assumption is that these metal atoms are strongly bonded to each other and simply provide ‘landing spots’ for reactants. What everybody has assumed is that metal-metal bonds remain intact during the reactions they catalyze,” says Mavrikakis. “So here, for the first time, we asked the question, ‘Could the energy to break bonds in reactants be of similar amounts to the energy needed to disrupt bonds within the catalyst?’”

According to Mavrikakis’s modeling, the answer is yes. The energy provided for many catalytic processes to take place is enough to break bonds and allow single metal atoms (known as adatoms) to pop loose and start traveling on the surface of the catalyst. These adatoms combine into clusters, which serve as sites on the catalyst where chemical reactions can take place much easier than the original rigid surface of the catalyst.

Using a set of special calculations, the team looked at industrially important interactions of eight transition metal catalysts and 18 reactants, identifying energy levels and temperatures likely to form such small metal clusters, as well as the number of atoms in each cluster, which can also dramatically affect reaction rates.

Their experimental collaborators at the University of California, Berkeley, used atomically-resolved scanning tunneling microscopy to look at carbon monoxide adsorption on nickel (111), a stable, crystalline form of nickel useful in catalysis. Their experiments confirmed models that showed various defects in the structure of the catalyst can also influence how single metal atoms pop loose, as well as how reaction sites form.

Mavrikakis says the new framework is challenging the foundation of how researchers understand catalysis and how it takes place. It may apply to other non-metal catalysts as well, which he will investigate in future work. It is also relevant to understanding other important phenomena, including corrosion and tribology, or the interaction of surfaces in motion.

“We’re revisiting some very well-established assumptions in understanding how catalysts work and, more generally, how molecules interact with solids,” Mavrikakis says.

Manos Mavrikakis is Ernest Micek Distinguished Chair, James A. Dumesic Professor, and Vilas Distinguished Achievement Professor in Chemical and Biological Engineering at the University of Wisconsin–Madison.

Other authors include Barbara A.J. Lechner of the Technical University of Munich, and Gabor A. Somorjai and Miquel Salmeron of Lawrence Berkeley National Laboratory and the University of California, Berkeley.

The authors acknowledge support from the U.S. Department of Energy, Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Catalysis Science Program, Grant DE-FG02-05ER15731; the Office of Basic Energy Sciences, Division of Materials Sciences and Engineering, of the U.S. Department of Energy under contract no. DE-AC02-05CH11231, through the Structure and Dynamics of Materials Interfaces program (FWP KC31SM).

Mavrikakis acknowledges financial support from the Miller Institute at UC Berkeley through a Visiting Miller Professorship with the Department of Chemistry.

The team also used the National Energy Research Scientific Computing Center, a DOE Office of Science User Facility supported by the Office of Science of the U.S. Department of Energy under Contract No. DE-AC02-05CH11231 using NERSC award BES- ERCAP0022773.

Part of the computational work was carried out using supercomputing resources at the Center for Nanoscale Materials, a DOE Office of Science User Facility located at Argonne National Laboratory, supported by DOE contract DE-AC02-06CH11357.








Ротация на Интернет Радио. Ротация песни на Интернет радио.

Наркологический центр «ЛОГОС» в Санкт-Петербурге: комплексное лечение зависимостей

«Верил, что ссоры — это происки темных сил»: победителя «Битвы экстрасенсов» обвинили в абьюзе

«Ушли все, кроме меня»: Ирина Дубцова ответила на обвинения Игоря Крутого в неблагодарности


Amorim has seven Man Utd undroppables v Arsenal and four available positions

From United Airlines to Olive Garden, brands turn orange, tying themselves to Taylor Swift’s economic superpowers

Vintage photos show Alaska before it became a state

3 Terrifying Horror Series To Watch Ahead Of HBO’s ‘It: Welcome to Derry’


В Курской области женщину осудили за обман дагестанца с оказанием интим-услуг

Пришли на время - остались навсегда

EVITA BEAUTY STORE - интернет-магазин косметики премиум-класса

Российские электромобили опередили китайские по продажам


Список лучших PvE-питомцев для фарма в Etheria: Restart

Samsung has announced the world's first 500 Hz OLED monitor, but it's the new 5K2K panel that's got my wallet twitching

War Thunder Mobile празднует 2-ю годовщину с новым режимом и подарками

Bongo Cat, still one of the biggest games on Steam, gets even bigger with multiplayer: You can now have up to 100 cats on your screen at once, all of them happily bapping away as their owners type


Овочі можуть стати розкішшю для українців


Матч «Динамо» — ЦСКА 17 августа 2025 года: когда начало и где смотреть

"Локомотив" и "Балтика" сыграли вничью со счетом 1:1 в матче пятого тура РПЛ

Михаил Ефремов принес букет роз на могилу отца на Новодевичьем кладбище

Священник Волков назвал икону Германа от Путина символом единства России и США


Тепло уходит из Москвы, в Россию идёт аномальная осень: Удивительный прогноз от метеорологов

Матч «Динамо» — ЦСКА 17 августа 2025 года: когда начало и где смотреть

Кураторские Плейлисты. Кураторские плейлисты Яндекс Музыка.

Священник Волков назвал икону Германа от Путина символом единства России и США


357 миллионов испарились: женщина из Краснодара выиграла джекпот, но получила 400 рублей

Глейхенгауз прокомментировал ситуацию с отстранением фигуристов

МЧС: пожарные ликвидировали пожар на складе в Новой Москве на площади 600 кв. м.

Пожар в Щербинке локализован на 600 «квадратах»


Калинская обыграла Александрову и вышла в 1/4 финала турнира WTA в Цинциннати

Рублёв удивился отсутствию выходного перед матчем с Комесаньей на турнире в Цинциннати

WTA отреагировала на разгромную победу Рыбакиной над Соболенко

Россиянка Кудерметова прошла в полуфинал турнира WTA в США


Магнитная буря 17.08.2025: метеопатов предупредили о возможном ухудшении самочувствия

Мощный пожар охватил склад с товарами на 1 миллиард рублей на юге Москвы

ГЛАВНАЯ СЕНСАЦИЯ ВСТРЕЧИ ПУТИНА И ТРАМПА, ДО ВСТРЕЧИ! ВЫСШАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ МИРОМ: ПРОГРАММНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТЫ ПОМОГАЮТ! Россия, США, Европа могут улучшить отношения и здоровье общества!

357 миллионов испарились: женщина из Краснодара выиграла джекпот, но получила 400 рублей


Музыкальные новости

«Призвали высшие силы»: почему на самом деле погиб Виктор Цой

Волочкова заявила, что больше никогда не выйдет замуж

В Санкт-Петербурге поклонники группы «Кино» почтили память Виктора Цоя

Shaman выступил перед Ким Чен Ыном на празднике в КНДР


Тепло уходит из Москвы, в Россию идёт аномальная осень: Удивительный прогноз от метеорологов

Михаил Ефремов принес букет роз на могилу отца на Новодевичьем кладбище

Матч «Динамо» — ЦСКА 17 августа 2025 года: когда начало и где смотреть

"Локомотив" и "Балтика" сыграли вничью со счетом 1:1 в матче пятого тура РПЛ


Алгоритмы Яндекс Музыки. Алгоритмы продвижения в Яндекс Музыка.

Михаил Ефремов посетил могилу отца на Новодевичьем кладбище

Кубок Федерации: спортивный праздник в формате светского пикника под музыку Relax FM

В аэропорту Внуково сняли огромные очереди к паспортному контролю


Лексус проехал на красный и стал причиной падения каршеринга в реку Москвы

Садовое кольцо и несколько улиц в центре Москвы перекроют 17 августа

Движение на юго-востоке Москвы затруднено на 1,7 километра из-за ДТП

На МКАД на видео попало, как авто отлетело в отбойник после удара цистерны


Американский аналитик дал оценку результатам встречи Путина и Трампа

Мнение специалиста: встреча Путина и Трампа стала ключевым событием в истории

Священник Волков назвал икону Германа от Путина символом единства России и США

Переговоры Путина и Трампа. Комментарии. Оценки. Раздражение Европы. «Непонятки»




Удобный и без вреда для осанки: как выбрать рюкзак для первоклассника

"Деловая Россия" выдвинула инициативу по увеличению конкурентных возможностей инвалидов

Россия достигла успехов в исследовании гепатита В

Способы экспертного определения наличия вирусов в смартфоне


Киев повышает ставки: Зеленский поставил ультиматум Трампу

Политолог Фельдман: страшный сон Зеленского стал явью

В Киеве подтвердили информацию о телефонном разговоре Трампа с Зеленским

«Теперь все зависит от Зеленского»: Вашингтон и Москва договорились, а Киеву осталось лишь подписать капитуляцию


Матч «Динамо» — ЦСКА 17 августа 2025 года: когда начало и где смотреть

Александр Овечкин: Легендарное чествование в московском «Динамо» 22 августа

"Локомотив" и "Балтика" сыграли вничью со счетом 1:1 в матче пятого тура РПЛ

Спортсменка Росгвардии стала чемпионкой России по современному пятиборью


В определённых кругах это называется "Зайти на плечах"

Лукашенко проинформировал Трампа о планах по освобождению заключенных

Инициатива президента США вызвала разговор Лукашенко и Трампа

Лукашенко пригласил Трампа в Минск — тот согласился


Собянин: Москва помогает бизнесу выводить инновационные разработки на рынок

Собянин: Новый путепровод в Коммунарке разгрузит Калужское шоссе и дороги НАО


Бирюлёво Восточное: дендропарк и не только (Мой район)


Трое суток в режиме нон-стоп: главное о поездках Путина в Магадан и на Чукотку

В Сети появились новые кадры со свадьбы Гурама Амаряна

ИИ MICROSOFT ОПРЕДЕЛИЛ МЕДВЕДЕВА УЧИТЕЛЕМ НАТО! ВЫСШАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ МИРОМ: ПРОГРАММНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТЫ ПОМОГАЮТ! Россия, США, Европа могут улучшить отношения и здоровье общества!

Мощный пожар охватил склад с товарами на 1 миллиард рублей на юге Москвы


Уполномоченный по защите прав предпринимателей в НАО совместно с заместителем прокурора региональной прокуратуры провели прием предпринимателей

XI Международный фестиваль «Jazzовые сезоны» впервые пройдет в музее-заповеднике «Архангельское»

Владимир Ефимов: Станция «Бульвар Генерала Карбышева» Рублево-Архангельской линии метро готова более чем наполовину

Архангельские врачи из «Семашко» провели сложную операцию по удалению опухолей сразу двух органов


Преимущества работы с агентством недвижимости: услуги, этапы

Путин отметил сотрудников медиагруппы "России сегодня"

Погода на 16 августа 2025 года в Крыму и Севастополе: воздух прогреется до 30 градусов

Бульвар Полуденный частично останется без электричества: в Симферополе, Евпатории, Алуште, Ялте, Керчи, Джанкое, Феодосии и Севастополе отключат свет 18 августа


В Сети появились новые кадры со свадьбы Гурама Амаряна

В Москве создают миниатюрный Оймякон

Владелица загоревшегося в Москве здания рассказала о содержимом помещений

ГЛАВНАЯ СЕНСАЦИЯ ВСТРЕЧИ ПУТИНА И ТРАМПА, ДО ВСТРЕЧИ! ВЫСШАЯ АКАДЕМИЯ УПРАВЛЕНИЯ МИРОМ: ПРОГРАММНЫЕ ИНТЕЛЛЕКТЫ ПОМОГАЮТ! Россия, США, Европа могут улучшить отношения и здоровье общества!














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *