在計算化學領域的一個重大突破中，來自威斯康星大學麥迪遜分校的化學工程師創建了一個模型，闡明了催化反應在原子層面的工作原理。這種新發現的理解可以使工程師和化學家設計改進的催化劑和優化工業程序，可能會帶來巨大的能源節約，因為我們日常使用的90%的產品的生產都涉及到催化。

郎旭。資料來源：威斯康星大學麥迪遜分校

催化劑物質加速化學反應，而自身不發生變化。它們在加工石油產品和生產各種物品方面發揮著至關重要的作用，包括藥品、塑料、食品添加劑、化肥、環保燃料和各種工業化學品。

科學家和工程師們已經花了幾十年時間對催化反應進行微調–然而，由於目前不可能在工業規模的催化作用中經常涉及的極端溫度和壓力下直接觀察這些反應，他們還不知道在納米和原子尺度上到底發生了什麼。這項新的研究有助於揭開這一神秘的面紗，對工業有潛在的重大影響。

事實上，僅僅三個催化反應–蒸汽甲烷重整生產氫氣、合成氨生產化肥和合成甲醇–就使用了世界能源的近10%。

領導這項研究的華盛頓大學麥迪遜分校化學和生物工程教授馬諾斯-馬夫里卡基斯說：”如果你把運行這些反應的溫度只降低幾度，那麼我們今天作為人類所面臨的能源需求就會有巨大的減少。通過減少運行所有這些過程的能源需求，你也在減少它們的環境足跡。”

馬夫里卡基斯和博士後研究人員Lang Xu和Konstantinos G. Papanikolaou以及研究生Lisa Je在2023年4月7日的《科學》雜誌上發表了他們的進展消息。

馬諾-馬夫里卡基斯。資料來源：威斯康星大學麥迪遜分校

在他們的研究中，威斯康星大學麥迪遜分校的工程師們開發並使用強大的建模技術來模擬原子尺度上的催化反應。在這項研究中，他們研究了涉及納米形式的過渡金屬催化劑的反應，其中包括像鉑、鈀、銠、銅、鎳和其他在工業和綠色能源中重要的元素。

根據目前催化作用的剛性表面模型，過渡金屬催化劑的緊密原子提供了一個二維表面，化學反應物粘附在上面並參與反應。當施加足夠的壓力和熱量或電力時，化學反應物中原子之間的鍵就會斷裂，允許碎片重新組合成新的化學產品。

“普遍的假設是，這些金屬原子彼此緊密結合，只是為反應物提供’著陸點’。每個人都假設的是，金屬-金屬鍵在它們催化的反應中保持完整，”馬夫里卡基斯說。”因此，在這裡，我們第一次提出了這樣的問題：’打破反應物中的鍵的能量是否與破壞催化劑內的鍵所需的能量相似？”

根據Mavrikakis的建模，答案是肯定的。為許多催化過程提供的能量足以打破鍵，並允許單個金屬原子（稱為腺原子）彈出並開始在催化劑表面移動。這些腺原子結合成團，作為催化劑上的站點，化學反應可以比催化劑的原始剛性表面更容易發生。

利用一套特殊的計算方法，該團隊研究了8種過渡金屬催化劑和18種反應物的工業上重要的相互作用，確定了可能形成這種小型金屬簇的能量水平和溫度，以及每個簇中的原子數量，這也能極大地影響反應速度。

他們在加州大學伯克利分校的實驗合作者使用原子分辨率的掃描隧道顯微鏡來觀察一氧化碳在鎳（111）上的吸附情況，鎳是一種穩定的、在催化中有用的結晶形式。他們的實驗證實了顯示催化劑結構中的各種缺陷也能影響單個金屬原子如何鬆動，以及反應點如何形成的模型。

馬夫里卡基斯說，這個新框架正在挑戰研究人員如何理解催化作用以及它如何發生的基礎。它可能也適用於其他非金屬催化劑，他將在未來的工作中對此進行研究。它也與理解其他重要現像有關，包括腐蝕和摩擦學，或運動中的表面的相互作用。

研究人員正在重新審視在理解催化劑如何工作方面的一些非常成熟的假設，更廣泛地說，分子如何與固體互動。