Operando la catálisis de clúster a través de la dinámica acoplada superficie-subsuelo

Área de la Ciencia:

• Ciencias de la superficie y catálisis
• Ciencias de los materiales computacionales
• Ingeniería Química

Sus antecedentes:

• La reestructuración del catalizador en condiciones de reacción es un fenómeno conocido.
• Los mecanismos precisos por los cuales las dinámicas acopladas superficie-subsuelo influyen en la formación y el rendimiento del sitio activo siguen sin estar claros.
• La comprensión del comportamiento del catalizador operando es crucial para el diseño de sistemas catalíticos eficientes.

Objetivo del estudio:

• Desarrollar y aplicar un marco multiscala acelerado por aprendizaje automático para la resolución a escala atómica de la reestructuración del catalizador operando.
• Aclarar el papel de la dinámica acoplada superficie-subsuelo en la emergencia y el rendimiento del sitio activo.
• Identificar conjuntos activos dominantes y cuantificar las relaciones estructura-actividad.

Principales métodos:

• Integración del muestreo gran-canónico de Monte Carlo (GCMC), la dinámica molecular de la red neuronal (NNMD) y la microkinética de los primeros principios.
• Aplicación a la hidrogenación del acetileno catalizado por Pd como sistema modelo.
• Análisis de las relaciones estructura-actividad basadas en la altura y la composición de los grupos.

Principales resultados:

• La reestructuración operando conduce a la formación de átomos y grupos individuales (Pd1-Pd10) impulsados por la adsorción de hidrocarburos y carbono subterráneo.
• El grupo Pd10 fue identificado como el conjunto activo dominante, produciendo una mejora de velocidad de ~ 36, 000 veces y una selectividad de etileno de > 99%.
• El enfoque fue validado en múltiples metales de transición (Ag, Cu, Au, Ni, Rh, Pt), mostrando la necesidad de una coadsorción moderada y carbono subterráneo para la formación de racimos.

Conclusiones:

• La dinámica acoplada superficie-subsuelo es crítica para la aparición y el rendimiento de los sitios activos durante la catálisis.
• El marco multiscala desarrollado proporciona un método transferible para estudiar la reestructuración del catalizador operando en varios sistemas.
• Este trabajo ofrece información fundamental sobre el diseño de catalizadores para mejorar la actividad y la selectividad en entornos de reacción complejos.