Figure 1. Modification de la fraction molaireFraction molaire le long du temps de réaction (s) calculé par la simulation du réacteur. Le gaz d'admission était composé de CH4, O2, et He (sous forme de gaz inerte). La pression totale a été réglée à P =1 bar, et le rapport de pression partielle de CH4, O2, et Il a été fixé à 2:1:4. Le débit volumétrique a été fixé à 1 mL/s, et la température de réaction était de 700°C. Le poids du catalyseur était de 1 g. Crédit :Atsushi Ishikawa
Des chercheurs japonais ont effectué le calcul d'informations cinétiques de réaction à partir de calculs de premiers principes basés sur la mécanique quantique, et développé des méthodes et des programmes pour effectuer des simulations cinétiques sans utiliser les résultats cinétiques expérimentaux. Cette méthode devrait accélérer la recherche de divers matériaux pour parvenir à une société sans carbone.
Des chercheurs japonais ont développé une méthode de simulation pour estimer théoriquement les performances d'un catalyseur hétérogène en combinant des techniques de calcul des premiers principes et de calcul cinétique. Jusqu'à maintenant, des études de simulation principalement axées sur un seul ou un nombre limité de voies réactionnelles, et il était difficile d'estimer l'efficacité d'une réaction catalytique sans information expérimentale.
Atsushi Ishikawa, Chercheur principal, Centre de recherche verte sur l'énergie et les matériaux environnementaux, Institut national des sciences des matériaux (NIMS), effectué le calcul des informations cinétiques de réaction à partir de calculs de premiers principes basés sur la mécanique quantique, et développé des méthodes et des programmes pour effectuer des simulations cinétiques sans utiliser les résultats cinétiques expérimentaux. Ensuite, il a appliqué les résultats à la réaction de couplage oxydatif du méthane (OCM), qui est un processus important dans l'utilisation du gaz naturel. Il pouvait prédire avec succès le rendement des produits, comme l'éthane, sans information expérimentale sur la cinétique de la réaction. Il a également prédit des changements de rendement en fonction de la température et de la pression partielle, et les résultats reproduisaient fidèlement les résultats expérimentaux existants.
Cette recherche montre que la simulation informatique permet de prévoir la conversion de réactif et la sélectivité des produits, même si les données expérimentales ne sont pas disponibles. La recherche de matériaux catalytiques menée par la théorie et le calcul devrait s'accélérer. Par ailleurs, ce procédé est très polyvalent et peut être appliqué non seulement aux catalyseurs de conversion du méthane mais également à d'autres systèmes catalytiques tels que la purification des gaz d'échappement des automobiles, réduction du dioxyde de carbone et génération d'hydrogène, et devrait contribuer à la réalisation d'une société sans carbone.
Figure 2. Concept de l'étude Figure conceptuelle graphique montrant l'approche combinée du calcul du premier principe et de la microcinétique. Des activités catalytiques telles que la conversion et la sélectivité sont prédites. Le réseau de réaction catalytique est également obtenu, ainsi une analyse détaillée de la réaction catalytique est possible. Crédit :Atsushi Ishikawa
