Un nuovo strumento di simulazione individua reazioni catalitiche sconosciute
Il metodo riconosce i meccanismi di reazione senza conoscenze preliminari di chimica
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Gli ossidi di azoto, prodotti come sottoprodotti indesiderati della combustione, possono essere riconvertiti in azoto molecolare utilizzando materiali catalizzatori porosi. Un team di chimici dell'Università Heinrich Heine di Düsseldorf (HHU), guidato dal professore junior Dr. Jan Meisner, ha studiato le reazioni coinvolte e sviluppato un nuovo strumento di simulazione. Nella rivista Angewandte Chemie, presentano il suo potenziale applicativo per nuovi catalizzatori.
Rete di reazioni dell'SCR. Le specie molecolari sono rappresentate da punti collegati da reazioni (linee). Il ciclo di catalisi dell'SCR, anch'esso mostrato, è stato estratto da questa rete di reazioni.
Adapted from Fig. 3 from DOI: 10.1002/ange.202514074
Molte migliaia di morti ogni anno sono attribuite agli ossidi di azoto (NOx), che possono essere prodotti, ad esempio, nei motori a combustione delle automobili ad alte temperature. Sono principalmente associati a malattie cardiovascolari. Oggi i veicoli a motore devono essere dotati di speciali convertitori catalitici in cui gran parte degli ossidi di azoto vengono fatti reagire in azoto innocuo (N2) mediante un processo noto come riduzione catalitica selettiva (SCR).
I convertitori catalitici porosi, come le zeoliti, sono utilizzati nella purificazione dei gas di scarico. Hanno superfici (interne) estremamente ampie e centri attivi complessi in cui possono essere catalizzati numerosi percorsi di reazione diversi. Queste zeoliti hanno pori di dimensioni nanometriche (cioè un miliardesimo di metro) che agiscono come gabbie molecolari: racchiudono le molecole che reagiscono in modo che reagiscano direttamente nei centri attivi.
"In questi pori avviene un gran numero di reazioni chimiche, tutte collegate e in competizione tra loro. Formano reti di reazione con migliaia di stadi intermedi. Conosciamo molte reazioni, ma spesso ci sono meccanismi completamente nuovi e inaspettati che spesso non abbiamo in mente", spiega il professore junior Dr. Jan Meisner dell'Istituto di Chimica Fisica della HHU. "Nel mio gruppo di lavoro abbiamo sviluppato un metodo che utilizza la 'dinamica molecolare periodica dei nanoreattori' per riconoscere i meccanismi di reazione anche senza conoscenze chimiche preliminari, in modo che la rete di reazione possa essere esplorata in modo autonomo e automatico".
I calcoli quantomeccanici sono essenziali per la determinazione precisa dei tassi di reazione. Tuttavia, sono molto impegnativi dal punto di vista computazionale, il che significa che la dinamica degli atomi e delle molecole in reazione può essere simulata solo per un periodo di tempo molto breve. Con l'aiuto della "dinamica molecolare dei nanoreattori" (NMD), le molecole ricevono un'ulteriore spinta energetica, grazie alla quale è possibile osservare un maggior numero di reazioni chimiche nelle simulazioni. I chimici della HHU hanno esteso questa tecnica per rilevare reazioni molto rare nei materiali porosi e per osservare direttamente meccanismi precedentemente sconosciuti.
Il metodo apre una nuova prospettiva sulle reti catalitiche: invece di osservare i singoli passaggi in modo isolato, diventa visibile l'intera rete di reazione. Ciò significa che è possibile scoprire anche reazioni collaterali, intermedi e meccanismi di reazione complessi.
Daniel Deißenbeck, primo autore dell'articolo ora pubblicato sulla rivista Angewandte Chemie: "Una caratteristica speciale del nostro approccio NMD è il suo potere predittivo: esplora lo spazio chimico in modo indipendente e senza ipotesi aggiuntive, cioè 'trova' anche reazioni a cui non avevamo nemmeno pensato". Valutando successivamente i risultati in termini di energia con metodi consolidati, i ricercatori ottengono dati termodinamici significativi per i meccanismi trovati.
I chimici di Düsseldorf hanno applicato questo metodo alla SCR degli ossidi di azoto e alle loro reazioni collaterali. Particolarmente importante è la formazione del protossido di azoto (N2O), che non è ancora del tutto conosciuta. Questo potente gas a effetto serra viene prodotto come sottoprodotto indesiderato e dovrebbe essere evitato quando possibile. "Abbiamo trovato un percorso radicalmente guidato attraverso il quale viene prodotto il protossido di azoto, che non si è verificato nei modelli precedenti. I nostri risultati potrebbero contribuire allo sviluppo di catalizzatori dei gas di scarico più efficienti e a basse emissioni", spiega Deißenbeck.
Oltre al nuovo metodo di ricerca delle reti di reazione, il lavoro di Düsseldorf apre una vasta gamma di applicazioni nella ricerca sulla catalisi, ad esempio per la chimica sostenibile, i processi a basse emissioni e la progettazione di nuovi catalizzatori. In particolare, è possibile studiare le reazioni in altri materiali porosi, come i composti organometallici e le superfici. Meisner: "A lungo termine, il nostro metodo può contribuire ad abbreviare significativamente i cicli di sviluppo nella ricerca sui catalizzatori, poiché i percorsi di reazione potenzialmente rilevanti possono essere identificati sistematicamente in una fase iniziale, consentendo una progettazione mirata dei catalizzatori".
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; "Reaction Discovery in Porous Materials Using Periodic Nanoreactor Molecular Dynamics"; Angewandte Chemie International Edition, Volume 65, 2025-12-15
Daniel Deißenbeck, Patrick Meier, Wassja A. Kopp, Anthony D. Debellis, Jan Meisner; "Entdeckung von Reaktionsmechanismen in porösen Materialien mittels periodischer Nanoreaktor‐Molekulardynamik"; Angewandte Chemie, Volume 138, 2026-1-1
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