15.06.202008:20

Un passo avanti per la catalisi computazionale in uno studio PoliMi

La ricerca apre la strada alla simulazione di catalizzatori eterogenei in condizioni di reazione


La catalisi è il fenomeno in virtù del quale una sostanza, chiamata catalizzatore, accelera una reazione chimica desiderata, senza essere consumato durante la reazione. La catalisi ha un ruolo importante nella maggior parte dei processi chimici alla base della nostra vita quotidiana: dalla produzione di prodotti chimici e combustibili all'abbattimento degli inquinanti.

Una nuova ricerca del nostro Laboratorio di Catalisi e Processi Catalitici del Dipartimento di Energia fa avanzare il campo della catalisi computazionale aprendo la strada alla simulazione di catalizzatori in condizioni di reazione. Lo studio ha portato importanti risultati ed è stato evidenziato sulla copertina della prestigiosa rivista ACS Catalysis.

Il lavoro è il frutto di una collaborazione tra il team del professor Matteo Maestri, ordinario di ingegneria chimica nel nostro ateneo, e quello di Giannis “Yanni” Mpourmpakis, professore associato di ingegneria chimica presso la Swanson School of Engineering dell'Università di Pittsburgh. All’interno di questa collaborazione, Raffaele Cheula, studente di dottorato del Politecnico di Milano nel team del professor Matteo Maestri, ha trascorso uno dei tre anni del suo dottorato nel laboratorio di Mpourmpakis.

La catalisi computazionale studia il comportamento dei materiali catalitici tramite simulazioni nei moderni supercomputer, al fine di spiegare le trasformazioni a livello atomico e accelerare la scoperta di nuovi catalizzatori. Finora la catalisi computazionale è stata limitata dalla simulazione di strutture idealizzate di catalizzatori che non rappresentano necessariamente le condizioni realistiche di reazione.

Il carattere innovativo di questo studio consiste nel modellare la catalisi in condizioni di reazione. Con questi presupposti, i ricercatori hanno dovuto tenere conto del carattere dinamico del catalizzatore, che cambia struttura con l’evolvere delle reazioni chimiche. A tale scopo, sono state calcolate le modalità e le probabilità dei cambiamenti di struttura dei materiali catalitici, e in che modo tali variazioni influenzano le reazioni chimiche che avvengono sulla superficie dei catalizzatori.

“Il nostro lavoro apre la strada all'analisi fondamentale della relazione struttura-attività in catalisi. Questo gioca un ruolo fondamentale verso l’ingegnerizzazione della trasformazione chimica a livello molecolare attraverso una comprensione meccanicistica della funzionalità del catalizzatore", spiega Matteo Maestri. "Grazie alla permanenza e al lavoro di Raffaele all’Università di Pittsburgh, siamo stati in grado di combinare l'esperienza nella modellazione microcinetica e multiscala del mio gruppo con l'esperienza nelle simulazioni di nanomateriali del gruppo di Mpourmpakis".

"È stato stimolante essere coinvolti in questa collaborazione tra Matteo e Yanni", afferma Raffaele Cheula. "La combinazione delle mie esperienze di ricerca presso il Politecnico di Milano e l'Università di Pittsburgh è stata molto importante per la finalizzazione di questo lavoro. È stata una tematica molto interessante e sono contento di questo risultato".

Il lavoro è finanziato dallo European Research Council (ERC) e dalla National Science Foundation (NSF), con il supporto computazionale di CINECA di Bologna, e del Center for Research Computing di Pittsburgh.

L'articolo è disponibile online:
Modeling Morphology and Catalytic Activity of Nanoparticle Ensembles Under Reaction Conditions
Raffaele Cheula, Matteo Maestri, Giannis Mpourmpakis
ACS Catal. 2020, 10, 11, 6149–6158, May 15, 2020
https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01005

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