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以數值模擬幫助催化機制新發現

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林俊鈺｜國家實驗研究院高速網路與計算中心高速計算技術與應用組

觸媒可以催化、加速化學反應，但不影響反應的最終產物。早在十九世紀中已有觸媒的概念，並且在二十世紀初由德國奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald）運用在以氨氣為原料的硝酸製備，隨即應用於炸藥與肥料等。觸媒在現代化學工業製程中扮演了重要角色，且這些觸媒的反應特性和效率，以及其結構的作用機制仍是一個重要的研究課題。尤其在較複雜的多相觸媒上，目前仍然缺乏完整理論模型與模擬分析。用來催化甲醇生產的銅鋅鋁氧化物（Cu/ZnO/Al₂O₃）觸媒即為一例。

過去對於銅奈米粒子等單相觸媒性質已有不少研究，不過其簡化模型與實際工業用的銅鋅鋁氧化物觸媒之複合材料結構仍相去甚遠。但在去年，甲醇合成的催化機制有一個新突破，德國弗里茨哈伯研究所與史丹佛線性加速器實驗室等研究機構，共同發現了其分子結構與催化效率關係。他們的實驗觀測與量子力學計算詳細解釋了銅鋅鋁氧化物觸媒的催化機制，特別是觀察到並理論上說明了銅與氧化鋅所扮演的角色。這個研究不但給出了目前工業上廣泛使用的高效觸媒催化機制，也提供了其它多相觸媒材料的研究方向。

同時在此成果中，我們也看到數值模擬在現代研究所具備的潛力。特別是材料科學研究，若要以實驗測試每一種參數組合，如材料組成比例、結構、排列方式等，極為耗時耗力，若能以初步理論提供參數調變的方向後，再輔以大規模數值實驗篩選出可能的參數組合，將有助於大幅縮短實驗週期並降低成本。以觸媒催化合成甲醇為例，目前全球每年的甲醇需求量約為五千萬噸，在永續能源考量下，若能藉數值模擬來釐清複合材料觸媒的作用機制，計算出可能的高效率觸媒，那對於提高合成甲醇的效率，其重要性將不言而喻。而數值模擬即在其中扮演著加速科技演進與應用的重要角色。

參考文獻

Douglas W. Stephan (2013) Catalysis: A step closer to a methanol economy, Nature, 495, 54.
Jeffrey P. Greeley (2012) Active site of an industrial catalyst, Science, 336, 810.
Wilhelm Ostwald, "On catalysis," Nobel Lecture on December 12, 1909.

資料來源

轉載自「國研院高速網路與計算中心88期電子報」

數值模擬(2) 觸媒(21) 科發月刊(5210)

以數值模擬幫助催化機制新發現

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