维也纳理工大学
氧化铝上的钯纳米晶体
一些方面使1-丁烯异构化为2-丁烯，另一些方面有利于加氢生成丁烷
学分:维也纳理工大学 化学反应可以在不同的层次上进行研究:在单个原子和分子的层次上，可以设计新的化合物
在纳米和微米尺度的微小颗粒水平上，人们可以理解催化剂材料如何影响化学反应
而且为了在工业中使用化学反应，有必要从宏观尺度来看
通常，每个区域使用不同的方法
但是这不足以在催化剂表面进行复杂的化学反应
在图维恩(维也纳)，现在已经迈出了重要的一步:第一次有可能将从微观到宏观的所有层面联系起来，以便描述现实条件下技术上重要的化学反应
这有助于理解为什么催化剂颗粒的尺寸起着决定性的作用
研究结果现已发表在科学杂志《自然通讯》上
异构体:相同的成分，不同的分子 许多分子有不同的变体:同一组原子可以以不同的方式排列，然后被称为“异构体”
“区分这些异构体很重要——例如，烃丁烯的某种异构体有利于燃料生产，但另一种丁烯变体则更适合聚合物生产
精确生产所需的异构体或将一种异构体转化为另一种异构体是一项棘手的任务，可以通过非常特殊的催化剂来实现
“钯是此类过程中特别重要的催化剂，”教授表示
图维恩材料化学研究所的京特·鲁普切特
“通常，钯以微小纳米晶体的形式放置在表面上
然后，某些分子结合到这些颗粒上，这使得化学反应成为可能
" 众所周知的事实是，颗粒大小对于特定的催化功能通常是至关重要的，但是大多数情况下没有详细的合理化说明这是如何工作的
“在计算机上创建这些粒子的全尺寸量子化学模型是不可能的，因为它们只是由太多的原子组成，”博士说
目前这项研究的第一作者，亚历山大·吉纳斯特
“因此，我们必须找到结合不同方法研究化学催化的替代方法
" 现实条件而不是理想化的系统 来自新加坡、阿利坎特和慕尼黑的研究小组及其合作伙伴为他们的研究选择了一个复杂但重要的反应:烯烃的异构化
“这尤其具有挑战性，因为有多种反应途径同时发挥作用，”gun ther RUP rechter说
“对我们来说，研究现实条件下的反应很重要:在以前的基础研究中，反应通常在(超)高真空、低温下进行分析
但是在工业环境中，你必须处理完全不同的参数
因此，我们想知道这种异构化是如何在大气压和100℃下发生的
" 该团队从原子和分子的层面开始:“借助密度泛函理论，我们可以对附着在钯晶体各个面上的分子的基本反应步骤进行建模，”Alexander Genest说
这些计算为所谓的微观动力学模型提供了参数，这些模型可用于在计算机上预测更大时间尺度上的化学反应动力学
反过来，从这些结果中，可以推断出在特定参数下特定时间后将出现的所需化学产品的总量
“模型计算与我们的实验测量非常一致，不仅在质量上，而且在数量上，”教授强调
günther Ruprechter
“这是一个重要的突破——这样的协议以前是不可能达成的
“现在可以详细解释为什么不同尺寸的钯颗粒对化学过程有不同的影响:大颗粒表面光滑，而小颗粒则更圆更有台阶
钯原子在交替几何结构中的排列影响反应能量，从而影响催化行为
最佳结果，而不仅仅是反复试验 “当你在工业中优化一个化学过程时，你经常不得不依赖于反复试验，”gun ther Ruprechter说
“应该选择哪些外部参数？你使用哪些催化剂——以什么形式？这些问题到目前为止还很难在理论层面上得到回答
“通常会测试多个变体，然后选择最成功的一个
但是如果一个过程要从实验室规模扩大到工业规模，可能需要完全不同的参数
“我们现在已经表明，如果你把几个时间和长度的尺度联系起来，你就可以全面理解这样的过程，”亚历山大·吉纳斯特说
“这种方法当然也适用于许多其他催化反应
“因此，在化学工业中，应该有可能通过计算机建模来优化化学制造过程，同时将昂贵且耗时的基准测试减少到最低限度
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