正在较量争论化学范畴的一个重大突破中，来源于威斯康星大学麦迪逊分校的化学工程师创建了一个模子，阐了然催化反应正在原子层面的事情道理。这类新发现的明白可以使工程师和化学家设计改良的催化剂和优化工业顺序，可能会带来宏大的能源勤俭，由于我们一样平常运用的90%的产物的出产皆涉及到催化。
郎旭。材料泉源：威斯康星大学麦迪逊分校
催化剂物质加快化学反应，而本身不发生变更。它们正在加工石油产物和出产各类物品层面发挥着至关重要的作用，包含药品、塑料、食物添加剂、化肥、环保燃料和各类工业化学品。
科学家和工程师们曾经花了几十年工夫对催化反响举行微调--然而，因为今朝不行能正在工业范围的催化作用中常常触及的极度温度和压力下直接察看这一些反响，他们还不了解正在纳米和原子标准上究竟发生了什么。这项新的研讨有助于揭开这一神秘的面纱，对工业有潜正在的庞大危害。
事实上，仅仅三个催化反应--蒸汽甲烷重整出产氢气、分解氨出产化肥和分解甲醇--就使用了天下能源的近10%。
辅导这项研讨的华盛顿大学麦迪逊分校化学和生物工程传授马诺斯-马夫里卡基斯说："若是您把运转这一些反映的温度只低落几度，那末我们本日作为人类所面对的能源需求就会有伟大的削减。经由过程削减运转所有这一些历程的能源需求，您还正在削减它们的环境脚印。"
马夫里卡基斯和博士后研究人员Lang Xu和Konstantinos G.Papanikolaou和研究生Lisa Je正在2023年4月7日的《科学》杂志上揭晓了他们的进度新闻。
马诺-马夫里卡基斯。材料根源：威斯康星大学麦迪逊分校
正在他们的研讨中，威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们开辟并利用强盛的建模手艺来摹拟原子尺度上的催化回响反映。正在这项研讨中，他们研讨了触及纳米情势的过渡金属催化剂的回响反映，个中包罗像铂、钯、铑、铜、镍和其他正在工业和绿色能源中主要的元素。
按照今朝催化作用的刚性外表模子，过渡金属催化剂的精密原子供应了一个二维外表，化学回响反映物粘附在上面并介入回响反映。当施加充足的压力和热量或电力时，化学回响反映物中原子之间的键就会断裂，答应碎片从新组合成新的化学产物。
"广泛的假定是，这一些金属原子相互紧密结合，只是为反响物给予'着陆点'。每个人皆假定的是，金属-金属键正在它们催化的反响中坚持完好，"马夫里卡基斯说。"是以，正在这儿，我们第一次提出了如许的题目：'突破反响物中的键的能量是不是取毁坏催化剂内的键所需的能量类似？"
按照Mavrikakis的建模，谜底是必定的。为很多催化历程供应的能量足以冲破键，并同意单个金属原子（称为腺原子）弹出并最先正在催化剂外面挪动。这一些腺原子连系成团，作为催化剂上的站点，化学反应能够比催化剂的原始刚性外面更容易发生。
操纵一套特别的计算方法，该团队研讨了8种过渡金属催化剂和18种反应物的工业上主要的相互作用，肯定了大概构成这类小型金属簇的能量水温和温度，和每一个簇中的原子数目，这也能极大地危害反应速度。
他们正在加州大学伯克利分校的实验合作者利用原子分辨率的扫描隧道显微镜来观测一氧化碳正在镍（111）上的吸附状况，镍是一种稳固的、正在催化中有效的结晶情势。他们的实验证明了表现催化剂构造中的各类缺点还能危害单个金属原子若何松动，和反应点若何构成的模子。
马夫里卡基斯说，这个新框架正在挑衅研究人员若何了解催化作用和它若何发作的根蒂根基。它大概还适用于其他非金属催化剂，他将在将来的工作中对此进行研究。它还取了解其他主要现象有关，包孕侵蚀和磨擦学，或活动中的表面的相互作用。
研究人员正正在从头审视正在明白催化剂若何事情方面的一些特别很是成熟的假定，更广泛地说，份子若何取固体互动。