Catalyse computationnelle, un domaine qui simule et accélère la découverte de catalyseurs pour la production de produits chimiques, a été largement limitée à des simulations de structures catalytiques idéalisées qui ne représentent pas nécessairement des structures dans des conditions de réaction réalistes.

Nouvelle recherche de la Swanson School of Engineering de l'Université de Pittsburgh, en collaboration avec le Laboratoire de Catalyse et Procédés Catalytiques (Département de l'Énergie) du Politecnico di Milano à Milan, Italie, fait avancer le domaine de la catalyse computationnelle en ouvrant la voie à la simulation de catalyseurs réalistes dans des conditions de réaction. L'oeuvre, Publié dans Catalyse ACS , a été écrit par Raffaele Cheula, doctorat étudiant dans le groupe Maestri; Matteo Maestri, professeur titulaire de génie chimique au Politecnico di Milano; et Giannis "Yanni" Mpourmpakis, Bicentennial Alumni Faculty Fellow et professeur agrégé de génie chimique à Pitt.

"Avec notre travail, on peut voir, par exemple, comment les nanoparticules métalliques couramment utilisées comme catalyseurs peuvent modifier la morphologie dans un environnement réactif et affecter le comportement catalytique. Par conséquent, on peut maintenant simuler des ensembles de nanoparticules, qui peut faire avancer n'importe quel domaine d'application des nanoparticules, comme la nanomédecine, énergie, l'environnement et plus encore, " précise Mpourmpakis. " Bien que notre application soit centrée sur la catalyse, il a le potentiel de faire progresser les simulations à l'échelle nanométrique dans leur ensemble. »

Afin de modéliser la catalyse dans des conditions réactionnelles, les chercheurs ont dû tenir compte du caractère dynamique du catalyseur, qui est susceptible de changer tout au long de la réaction. Pour y parvenir, les chercheurs ont simulé comment les catalyseurs changent de structure, quelle est la probabilité de ce changement, et comment cette probabilité affecte les réactions qui se déroulent à la surface des catalyseurs.

« La catalyse est à l'origine de la plupart des processus importants de notre vie quotidienne :de la production de produits chimiques et de carburants à la réduction des polluants, " dit Maestri. " Nos travaux ouvrent la voie à l'analyse fondamentale de la relation structure-activité en catalyse. Ceci est primordial dans tout effort dans la quête de l'ingénierie de la transformation chimique au niveau moléculaire en obtenant une compréhension mécanistique détaillée de la fonctionnalité du catalyseur. Grâce au séjour de Raffaele à Pitt, nous avons pu combiner l'expertise en modélisation microcinétique et multi-échelle de mon groupe avec l'expertise en simulations de nanomatériaux et catalyse computationnelle du groupe de Yanni."

Auteur principal Raffaele Cheula, un doctorat étudiant au Maestri Lab, a travaillé pendant un an au Mpourmpakis Lab à Pitt sur cette recherche.

« Cela a été très agréable d'être impliqué dans cette collaboration entre Yanni et Matteo », déclare Cheula. "La combinaison de mes expériences de recherche à Pitt et à PoliMi a été très importante pour la finalisation de ce travail. C'était un sujet stimulant et je suis très heureux de ce résultat".