Los científicos del Laboratorio Ames del Departamento de Energía de EE. UU. Han desarrollado simulaciones de modelado molecular y nuevas formulaciones teóricas para ayudar a comprender y optimizar las reacciones catalíticas que tienen lugar en entornos químicos donde los "ingredientes" reactivos para la catálisis no están bien mezclados.
En catálisis, una reacción química se acelera al agregar otro componente, el catalizador, que permanece sin cambios durante la reacción. En muchos casos, como cuando la reacción catalítica tiene lugar en una solución, los reactivos pueden mezclarse fácilmente ya veces se agitan para garantizar la mezcla. Esta mezcla se supone en las teorías estándar de la cinética química que describen la rapidez y la eficiencia de las reacciones catalíticas.
Pero no todas las reacciones catalíticas ocurren donde los ingredientes pueden mezclarse. Por ejemplo, las reacciones catalíticas para crear combustibles en partículas mesoporosas y para eliminar contaminantes en reacciones superficiales de alta presión ocurren en sistemas no mezclados. Y para esos casos, el análisis estándar dela cinética química necesitaba ser refinada.
En documentos que aparecieron recientemente en Chemical Reviews y el Revista de Física Química , los químicos del Laboratorio Ames Jim Evans, Dajiang Liu y su equipo de investigación se centraron en modelar reacciones en tres clases de entornos catalíticos donde los componentes químicos no se mezclan fácilmente. Para dos clases, catálisis en poros estrechos de partículas mesoporosas y catálisis en superficies metálicas expuestasa alta presión, el hacinamiento evita que los reactivos y productos se muevan lo suficiente como para mezclarse. La tercera clase son las superficies a baja presión, donde las interacciones entre los reactivos adsorbidos hacen que estas especies se organicen en dominios ordenados o "islas" en lugar de mezclarse al azar.
"Para todos estos escenarios, hay muchos pasos 'adicionales' en el proceso general de reacción de catálisis que deben integrarse en los modelos de simulación química para describir de manera confiable estos sistemas que no están bien agitados", dijo Evans. "Por ejemplo, paracatálisis dentro de poros estrechos y abarrotados, simulamos la entrada del reactivo en los poros, la difusión dentro del poro, la conversión de los reactivos a productos dentro del poro y la difusión fuera del poro, en lugar de simplemente asumir condiciones 'bien mezcladas'.de estos pasos controlan el rendimiento catalítico de estos procesos de reacción únicos. Todos ellos deben integrarse en los modelos de simulación ".
El resultado son simulaciones integrales a nivel molecular que describen con mayor precisión y realismo lo que está sucediendo en los sistemas catalíticos sin agitación.
"Las simulaciones pueden desempeñar el papel de 'experimentos numéricos', lo que significa que si hacemos nuestro trabajo correctamente, en lugar de tener que hacer un experimento en un laboratorio, nuestros modelos pueden decirnos qué harán estos tipos de reacciones catalíticas".
El equipo de Evans también refinó las teorías analíticas existentes sobre las tasas de reacción catalítica para que puedan aplicarse mejor a los sistemas sin mezclar. El equipo de investigación incluyó a Andrés García, investigador asociado y estudiante graduado de la Universidad Estatal de Iowa en el Departamento de Física y Astronomía; JingWang y Chi-Jen Wang, ambos asociados de investigación de posgrado y estudiantes de posgrado de ISU en el Departamento de Matemáticas; y David Ackerman, asociado de investigación de postgrado y estudiante de posgrado de ISU en el Departamento de Química.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Ames . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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