Predecir reacciones impredecibles
La investigación prepara el camino para simular catalizadores en condiciones de reacción
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La catálisis computacional, un campo que simula y acelera el descubrimiento de catalizadores para la producción de sustancias químicas, se ha limitado en gran medida a simulaciones de estructuras catalizadoras idealizadas que no necesariamente representan estructuras en condiciones de reacción realistas.
Una ilustración de nanopartículas en condiciones de reacción apareció en la portada de ACS Catalysis.
Raffaele Cheula
Las nuevas investigaciones de la Escuela de Ingeniería Swanson de la Universidad de Pittsburgh, en colaboración con el Laboratorio de Catálisis y Procesos Catalíticos (Departamento de Energía) del Politécnico de Milán en Milán, Italia, hacen avanzar el campo de la catálisis computacional al allanar el camino para la simulación de catalizadores realistas en condiciones de reacción. El trabajo, publicado en ACS Catalysis, fue escrito por Raffaele Cheula, estudiante de doctorado del grupo Maestri; Matteo Maestri, profesor titular de ingeniería química del Politécnico de Milán; y Giannis "Yanni" Mpourmpakis, becario de la Facultad de Antiguos Alumnos del Bicentenario y profesor asociado de ingeniería química en Pitt.
"Con nuestro trabajo, se puede ver, por ejemplo, cómo las nanopartículas metálicas que se utilizan comúnmente como catalizadores pueden cambiar la morfología en un ambiente reactivo y afectar el comportamiento catalítico. Como resultado, ahora podemos simular conjuntos de nanopartículas, que pueden hacer avanzar cualquier campo de aplicación de las nanopartículas, como la nanomedicina, la energía, el medio ambiente y más", dice Mpourmpakis. "Aunque nuestra aplicación se centra en la catálisis, tiene el potencial de avanzar en las simulaciones a nanoescala en su conjunto".
Para modelar la catálisis en condiciones de reacción, los investigadores tuvieron que tener en cuenta el carácter dinámico del catalizador, que probablemente cambie a lo largo de la reacción. Para ello, los investigadores simularon cómo los catalizadores cambian de estructura, cuán probable es este cambio y cómo esa probabilidad afecta a las reacciones que tienen lugar en la superficie de los catalizadores.
"La catálisis está detrás de la mayoría de los procesos importantes de nuestra vida cotidiana: desde la producción de productos químicos y combustibles hasta la reducción de contaminantes", dice Maestri. "Nuestro trabajo allana el camino hacia el análisis fundamental de la relación estructura-actividad en la catálisis. Esto es primordial en cualquier esfuerzo en la búsqueda de la transformación química de ingeniería a nivel molecular, logrando una comprensión mecánica detallada de la funcionalidad del catalizador. Gracias a la estancia de Raffaele en Pitt, pudimos combinar la experiencia en modelización microcinética y multiescalar de mi grupo con la experiencia en simulaciones de nanomateriales y catálisis computacional del grupo de Yanni".
El autor principal Raffaele Cheula, un estudiante de doctorado en el Maestri Lab, trabajó durante un año en el Mpourmpakis Lab en Pitt en esta investigación. "Ha sido muy agradable estar involucrado en esta colaboración entre Yanni y Matteo" dice Cheula. "La combinación de mis experiencias de investigación en Pitt y en PoliMi ha sido muy importante para la finalización de este trabajo. Fue un tema desafiante y estoy muy contento con este resultado".
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