Het bepalen van de optimale bindingsenergieën voor heterogene chemische reacties - wat meestal betekent dat de reactant zich in de gas- of vloeistoffase bevindt terwijl de katalysator een vaste stof is - is van cruciaal belang voor veel aspecten van de moderne samenleving, omdat we afhankelijk zijn van dergelijke reacties voor processen die zo divers zijn als de productie van meststoffen en kunststoffen. Er is een optimale bindingsenergie - dat wil zeggen de mate van interactie tussen de reactanten en de katalysator - waar het proces het meest efficiënt is (als het te laag is, de reactanten zullen niet reageren met de katalysator, en als het te hoog is, blijven ze eraan gebonden), en op basis hiervan worden katalysatoren ontworpen.

Nutsvoorzieningen, in een ontdekking die zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren die niet afhankelijk zijn van dure zeldzame metalen, wetenschappers van het RIKEN Centre for Sustainable Resource Science hebben aangetoond dat de optimale bindingsenergie kan afwijken van traditionele berekeningen, die gebaseerd zijn op evenwichtsthermodynamica, bij hoge reactiesnelheden. Dit betekent dat heroverweging van het ontwerp van katalysatoren met behulp van de nieuwe berekeningen nodig kan zijn om de beste tarieven te bereiken.

Heterogene chemische reacties worden in veel industriële processen gebruikt. Enkele van de bekendste zijn de productie van ammoniak via het Haber-Bosch-proces, de productie van kunststoffen met behulp van de Ziegler-Natta-reactie, en de ontzwaveling van aardolie. 1911, de Franse chemicus Paul Sabatier voorgesteld, gebaseerd op experimenten, dat er een optimale bindingsenergie is waardoor de katalytische activiteit kan worden gemaximaliseerd. Onlangs, vooruitgang in computationele chemie heeft een raamwerk opgeleverd waarmee de optimale bindingsenergie kan worden berekend, gebaseerd op evenwichtsthermodynamica en ervan uitgaande dat het proces soepel zal verlopen als alle stappen in het proces thermodynamisch gunstig zijn. Hier, de rol van de katalysator is om de thermodynamica van de meest ongunstige stap te verbeteren. De vangst is dat "optimaal" meestal wordt begrepen in de zin dat de reactie zo min mogelijk aandrijfkracht vereist, zodat het thermodynamisch efficiënt is, maar in de echte wereld is het vaak praktischer om een ​​hogere katalysesnelheid te hebben, ook als er een grotere drijfkracht nodig is.

Het team voerde een nieuwe reeks berekeningen uit, gebaseerd op reactiekinetische modellering, die rekening houden met deze discrepantie, en berekende nieuwe optimale bindingsenergieën voor waterstofoxidatie, die heterogene katalyse gebruikt, vinden dat de berekeningen verschillende waarden gaven bij hoge reactiesnelheden. "We waren blij om te zien, " zegt Hideshi Ooka, de eerste auteur van de studie, "dat onze berekeningen nieuwe strategieën voor het ontwerpen van katalysatoren voorspellen die niet konden worden verkregen met de traditionele, thermodynamische benadering."

Volgens Ryuhei Nakamura, hoofd van het Biofunctional Catalyst Research Team van het Centre for Sustainable Resource Center, "Op basis van deze bevinding we zijn van plan op zoek te gaan naar nieuwe katalysatoren, met behulp van elementen zoals koper of nikkel, die heterogene katalytische reacties vooruit kunnen stuwen, maar die minder duur en milieuvriendelijker zijn dan de huidige, waarvoor vaak edele metalen zoals platina en palladium nodig zijn."

Hij gaat door, "Bijgevolg, onderzoek naar nieuwe katalysatoren met behulp van onze methode kan bijdragen aan het bereiken van drie van de duurzame ontwikkelingsdoelen van de Verenigde Naties:doel 7 (betaalbare en schone energie), Doel 12 (verantwoorde productie en consumptie), en Doel 13 (klimaatactie)."

De studie is gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters .