پیشرفت بزرگ اتمی و پیامدهای مثبت آن برای صنعت پالایشی

پیشرفت بزرگ اتمی

مهندسان شیمی دانشگاه ویسکانسین-مدیسون مدلی از نحوه عملکرد واکنش های کاتالیزوری در مقیاس اتمی ایجاد کرده اند. این می تواند یک پیشرفت در تحقیقات شیمی محاسباتی باشد.

این پیشرفت می تواند به مهندسان و شیمیدانان اجازه دهد تا کاتالیزورهای کارآمدتری توسعه دهند و فرآیندهای صنعتی را تنظیم کنند به طور بالقوه با صرفه جویی در انرژی بسیار زیاد، با توجه به اینکه 90 درصد محصولاتی که در زندگی خود با آنها مواجه می شویم، حداقل تا حدی، از طریق کاتالیز تولید می شوند.

مواد کاتالیزور واکنش های شیمیایی را بدون تغییر خود تسریع می کنند. آنها برای پالایش فرآورده های نفتی و برای ساخت مواد دارویی، پلاستیک، افزودنی های غذایی، کودها، سوخت های سبز، مواد شیمیایی صنعتی و بسیاری موارد دیگر حیاتی هستند.

دانشمندان و مهندسان دهه‌ها را صرف تنظیم دقیق واکنش‌های کاتالیزوری کرده‌اند  اما از آنجا که در حال حاضر مشاهده مستقیم این واکنش‌ها در دماها و فشارهای شدید که اغلب در کاتالیز در مقیاس صنعتی دخیل هستند، غیرممکن است، آنها دقیقاً نمی‌دانند چه چیزی در نانو اتفاق می‌افتد. این تحقیق جدید به کشف این رمز و راز با پیامدهای بالقوه عمده برای صنعت کمک می کند.

در واقع، تنها سه واکنش کاتالیزوری، رفرمینگ بخار متان برای تولید هیدروژن، سنتز آمونیاک برای تولید کود و سنتز متانول نزدیک به 10 درصد از انرژی جهان را مصرف می کند.

Manos Mavrikakis، پروفسور مهندسی شیمی و بیولوژیکی در UW-Madison که رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، گفت: «اگر دمایی را که در آن باید این واکنش‌ها را انجام دهید، تنها چند درجه کاهش دهید، مصرف انرژی به شدت کاهش خواهد یافت. با کاهش انرژی مورد نیاز برای اجرای همه این فرآیندها، شما تبعات زیست محیطی آنها را نیز کاهش می دهید.

Mavrikakis و محققان فوق دکتری Lang Xu و Konstantinos G. Papanikolaou به همراه دانشجوی فارغ التحصیل لیزا جی تکنیک های مدل سازی قدرتمندی را برای شبیه سازی واکنش های کاتالیزوری در مقیاس اتمی توسعه دادند و از آنها استفاده کردند.

برای این مطالعه، آنها به واکنش‌های مربوط به کاتالیزورهای فلزات واسطه به شکل نانو ذرات، که شامل عناصری مانند پلاتین، پالادیوم، رودیم، مس، نیکل و سایر موارد مهم در صنعت و انرژی سبز می‌شوند، نگاه کردند. با توجه به مدل فعلی کاتالیز سطح صلب، اتم‌های محکم بسته‌ شده کاتالیزورهای فلزات واسطه، سطحی دوبعدی ایجاد می‌کنند که واکنش‌دهنده‌های شیمیایی به آن می‌چسبند و در واکنش‌ها شرکت می‌کنند.

هنگامی که فشار و گرما یا الکتریسیته کافی اعمال شود، پیوندهای بین اتم‌ها در واکنش‌ دهنده‌های شیمیایی شکسته می‌شود و به قطعات اجازه می‌دهد دوباره به محصولات شیمیایی جدید ترکیب شوند.

ماوریکاکیس توضیح داد: «فرض غالب این است که این اتم های فلزی به شدت به یکدیگر متصل هستند و به سادگی «نقاط فرود» را برای واکنش دهنده ها فراهم می کنند. آنچه همه تصور می کنند این است که پیوندهای فلز و فلز در طول واکنش هایی که کاتالیز می کنند دست نخورده باقی می مانند.

بنابراین در اینجا، برای اولین بار، ما این سوال را مطرح کردیم که “آیا انرژی برای شکستن پیوندها در واکنش دهنده ها می تواند به اندازه انرژی مورد نیاز برای برهم زدن پیوندهای درون کاتالیزور باشد؟”

با توجه به مدلسازی ماوریکاکیس، پاسخ مثبت است. انرژی ارائه شده برای انجام بسیاری از فرآیندهای کاتالیزوری برای شکستن پیوندها و اجازه دادن به تک اتم های فلزی (معروف به آداتوم) کافی است تا از بین بروند و روی سطح کاتالیزور حرکت کنند. این آداتوم‌ها در خوشه‌هایی ترکیب می‌شوند، که به عنوان مکان‌هایی روی کاتالیزور عمل می‌کنند که در آن واکنش‌های شیمیایی می‌تواند بسیار راحت‌تر از سطح صلب اصلی کاتالیزور انجام شود.

با استفاده از مجموعه‌ای از محاسبات خاص، این تیم برهمکنش‌های مهم صنعتی هشت کاتالیزور فلزات واسطه و 18 واکنش‌دهنده را بررسی کردند، سطوح انرژی و دماهایی را که احتمال تشکیل چنین خوشه‌های فلزی کوچکی وجود دارد، و همچنین تعداد اتم‌ها در هر خوشه را شناسایی کردند. به طور چشمگیری بر سرعت واکنش تأثیر می گذارد.

همکاران آزمایشی آنها در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، از میکروسکوپ تونل زنی روبشی با تفکیک اتمی برای بررسی جذب مونوکسید کربن روی نیکل (111)، یک شکل پایدار و کریستالی نیکل مفید در کاتالیز استفاده کردند. آزمایش‌های آن‌ها مدل‌هایی را تأیید کرد که نشان‌دهنده نقص‌های مختلف در ساختار کاتالیزور هستند، همچنین می‌توانند بر نحوه شل شدن اتم‌های فلزی و همچنین نحوه تشکیل مکان‌های واکنش تأثیر بگذارند.

ماوریکاکیس می‌گوید که چارچوب جدید اساس چگونگی درک محققان از کاتالیز و نحوه انجام آن را به چالش می‌کشد. ممکن است در مورد سایر کاتالیزورهای غیر فلزی نیز اعمال شود که او در کارهای آینده آنها را بررسی خواهد کرد. همچنین با درک سایر پدیده های مهم، از جمله خوردگی و تریبولوژی، یا برهم کنش سطوح در حرکت مرتبط است.

ماوریکاکیس گفت: «ما در حال بررسی برخی از مفروضات بسیار تثبیت شده برای درک نحوه عملکرد کاتالیزورها و به طور کلی تر، نحوه تعامل مولکول ها با جامدات هستیم.

ارزش خواندن این بیانیه مطبوعاتی را دارد زیرا 6 بند اعتبار برای همکاران و پشتیبانی از بودجه و منابع وجود دارد. به نظر می رسد این پروژه بسیار بزرگتر از آن چیزی است که یک بیانیه مطبوعاتی می تواند در چند پاراگراف توضیح دهد.

این اثر به نظر چیزی است که زمان بسیار مهم است. هشت فلز در این کار آزمایش شدند و همکاری آزمایش‌هایی را برای تأیید مدل انجام داد. به نظر می رسد این یک برنامه تحقیقاتی بسیار خوب فکر شده است. وقتی این سطح از اهمیت پیش می آید، یک چیز وجود دارد که به نظر می رسد همیشه در بیانیه های مطبوعاتی گم شده است. در مورد فرضیه ای که در بالا ذکر شد تعجب می کنید، آیا این بود که این برنامه را به حرکت درآورد؟ اگر اینطور بود، تیم در واقع خیلی پیشرفت کرد.

اختصاصی بازار نفت گاز پتروشیمی

منبع: اویل پرایس