一种催化协作

在一个新的合作开发更好的催化剂对能源的应用,计算和实验化学家正在携手合作。海莉桦树报告

东面的密西西比河在巴吞鲁日,我们,是一个研究机构,出现,任何通过卫星的眼睛,宽60米饼图划分成八块。里面派是一个同步加速器粒子加速器。到这里,化学家在附近的路易斯安那州立大学(LSU)的短开车当他们想测试材料,他们一直在做。

尽管包装,而权力比一些欧洲同行,路易斯安那州的j·班纳特约翰斯顿jr .)同步加速器是唯一可观的同步加速器设施在南方各州,现在是一个数百万美元的能源研究项目的重点。同步加速器的束中起到至关重要的作用在x射线吸收和x射线衍射实验中用来描述催化剂材料,路易斯安那州立大学的研究人员正在他们的新的政府资助的能源前沿研究中心(EFRC)。他们调查深入到原子水平结构的催化剂材料,提供单个原子的化学环境的错综复杂的细节的东西,中心主任杰里Spivey说,没有其他技术可以做。

结合研究者从九个不同机构,包括一个在大西洋的另一边,这EFRC渴望成为一个前沿研究中心的催化剂设计。的46 EFRCs去年成立于美国,路易斯安那州的不是,表面上看,最雄心勃勃的。而股份有限公司₂存储和太阳能项目库存金额接近2000万美元(1320万英镑),路易斯安那州立大学获得了1250万美元。但Spivey计划:通过鼓励计算和实验化学家密切和谐工作,他是设置一个先例更协作的方法领域的纳米催化剂设计;一,他希望将更快和更成功的生产对能源的高效催化剂的应用。

建设桥梁

计算和实验化学家并不总是心有灵犀——每一个使用不同的工具,通常,产生非常不同的结果。即使Spivey,一个实验物理学家,笑话,一些计算人他在能源项目的工作“从未见过的内部实验室”。然而,幸运的是,Spivey很高兴给他们。”作为我们的启动会议的一部分,我们把它们同步加速器设施,说,“这是我们如何描述你告诉我们应该工作”的材料,”他说。

显然,还有这两个阵营之间的鸿沟。但Spivey带来了大卫·布鲁斯-长期的同事,更不用说网球对手,在南卡罗来纳州克莱姆森大学,努力缩小差距。布鲁斯是一种稀有品种的化学家涉足计算和实验研究。作为可以认同两个阵营的人,他是一个显而易见的选择时选择一个协调员计算工作中心。杰瑞想有一个中心,所有研究人员将相互作用的一个关键问题是在过去正在做计算工作的人跟人做实验工作,”布鲁斯说。所以我都让他认为我是一个很好的动力,桥梁”。

促进变革

这种更具协作性的方法就是Spivey认为需要计算催化科学的真正的进展。五年EFRC项目因此,他的目的不是为了创造更好的催化剂本身,但推进的科学计算催化更普遍。去年10月在最初的10个项目讨论会议——一个每个关注特定的反应,例如,专注于开发光致还原作用的催化剂有限公司₂甲醇。但正如Spivey指出的那样,这个项目的目标——有些倔强地不开发的光致还原作用的催化剂有限公司₂。相反,它是推进技术计算催化、合成和描述使用该反应为例。Spivey说,从这个意义上讲,该奖项没有典型的研究资助。

然而,如果这些项目成功,结果应该更好的催化剂之一。布鲁斯的广泛关注,在LSU EFRC的职权范围,在发展中更高效的催化剂替代燃料的生产。他的实验室感兴趣的催化剂的合成气(一氧化碳和氢)转化为乙醇和丙醇等醇类,以及燃料电池的催化剂的应用。正如他所指出的,这种材料是有用的对于不同的应用程序往往非常相似,与许多涉及负载过渡金属氧化物。

布鲁斯说,但是找到最好的材料,不仅需要一个协作方法,但大量的计算能力。而有用的是,克莱姆森是50强企业之一世界上的超级计算机。在第一步中,计算化学家在布鲁斯的实验室使用量子模拟估计什么样的结构形式在一个给定的反应,分子如何互动和能源的障碍是什么。“我的学生们在做什么每天坐在电脑面前,操纵屏幕上的原子,和定位他们将开始在一个模拟世界中,“他解释说。的电脑然后尝试和优化真的会发生什么三天到两周后,许多处理器在大电脑会回来,说“这是答案”。他们收集的信息可以交给Spivey和他的团队在路易斯安那州立大学,使催化剂,使用同步加速器描述他们,,最终,测试他们是否达到预期。

这样的描述,这个过程听起来很整洁。但实际上它会带来任何有用的催化剂?Spivey当然希望如此。他说,这可能会导致该中心能够确定催化剂,否则没有人会考虑——那些几乎没有一台超级计算机的大脑无法预测。不过,他承认,这还不简单的过程应该是。面临的最大挑战之一创建催化剂在实验室里那些是控制金属催化剂颗粒的大小和形状。

永不停止的循环

从历史上看,它已经被实验化学家很难做出精确匹配的虚拟材料计算化学家操纵模型——实验可能,例如,可以使一群金纳米粒子在一个给定的尺寸范围,但不是所有的人都将是完全相同的。奈米制造专家根据Challa Kumar在LSU EFRC工作,使这些均匀大小的纳米粒子仍被证明是一个相当大的挑战。最近,他解释说,有急于尝试合成非常小的粒子——subnano范围——虽然现在可以得到均匀分布的金属粒子1海里以上,而是下面的棘手。EFRC范围内,库马尔的实验室的目标是开发一个“工具箱”,使他们做到这一点。以黄金作为起点,为已经有一些先例使subnano黄金粒子,他们计划他们的方法转化为其他类型的金属集群以及集群结合多个金属。

Kumar说,计算和实验化学家之间的合作方式是唯一的方法,可以产生任何进一步的进步沿着这条路线;试验和错误的老式的方法已经达到极限。在新的制度下,表面描述专家——像那些在路易斯安那州立大学工作的同步加速器设施——和奈米制造专家必须与计算化学家界面了解它到底是什么让一个特定的金属集群良好的催化剂。一个圆,永远不会停止,Kumar说。的一方面,计算工具和我们从那些我们用来学习的设计非常具体的金属集群所需的缺陷,和大小,和大小分布和晶体结构。然后我们给我们的数据计算科学家进一步评估,或进一步的支持,他们的想法。”

用自己的直觉

在这方面,布鲁斯说之间的紧密协作计算和实验化学家真的要开始偿还。它提高了计算方面,因为如果我们知道我们模仿,说,1纳米金属粒子与20金属原子,然后我们说,“请给我们一个金属粒子与20金属原子”,他们可以,那么实验可以测试准确的我们模仿。其他的挑战依然存在,但是;在布鲁斯的实验室甚至可以考虑把之前的订单20原子纳米颗粒,他们需要知道金属开始,所有他们可以依靠,布鲁斯说,化学直觉。当它归结到它,它只是做一个列表,他们认为工作的各种金属钯等金属,铜、钴、黄金,喂养成一台电脑。布鲁斯解释说,远不及可以坐在电脑,告诉它:“这是我关心的反应。给我最好的催化剂。但是,他补充说,这是。

像布鲁斯,Spivey的梦想有一天能够坐在一台电脑,并让它发展的理想催化剂对于一个给定的反应;一切都很好,他可以去实验室,让它。这是我们中心的目标,如果我们甚至可衡量的进展,在五年内,我将欣喜若狂,因为世界上一些最好的想法是在这工作,进步是缓慢的,”他说。他还指出,即使在今天的超级计算机没有无限的权力,所以他们通常提供线索,或见解,什么可能会使反应的工作,而不是一个完整的蓝图催化剂。

支付或闭嘴

不过,现在钱麻烦在Spivey至上的思想。虽然他的中心是满五年资助,最后更新的可能性的前三,同步加速器设施的预算还不到安全。是唯一的国家资助的同步加速器在美国,路易斯安那州,将决定它的未来,目前看起来不是光明的。削减预算在去年已经给工厂留下了融资100万美元的赤字,迫使许多员工的工作。有些不协调,这也是国家拿出了最后的百万LSU EFRC,使其启动资金总额1340万美元的现金,可能会浪费如果路易斯安那州不继续资助同步。

Spivey不能强调足够强烈的同步加速器中心的重要性:“设施,我相信,基本我们获得奖项和必须做我们告诉(能源部)我们要做什么。“没有它,描述催化剂成为一个更加困难的任务。和“循环”——的迭代过程EFRC的催化剂设计、创建和改进——完全分解。不仅如此,同步也吸引学生的一个重要组成部分着手Spivey研究生研究的实验室,学生Spivey希望,随着研究的科学家,将继续采用相同的协作的工作方式,他是在LSU EFRC促进。

海莉桦木是布里斯托尔的自由科学作家和编辑