能源需求空前高涨，环保意识也随之增强。因此，化学工程教授JosephKwon博士和MarkBarteau博士制定了一项策略来预测新型催化剂在绿色氨生产中的性能。
Kwon表示：“通过使氨生产等工业过程更加可持续，这项研究为应对气候变化的更广泛努力做出了贡献，为子孙后代创造了一个更健康的地球。”
改变氨的生产方式具有环境和经济效益，并能提高粮食安全。这可以通过降低传统氨生产所需的能源需求和碳排放来实现。
据估计，全球1%至2%的能源消耗以及类似比例的人为温室气体(GHG)排放都与化肥用氨的生产有关。
氨采用哈伯-博施法生产，这是一项已有百年历史的技术，利用大气中的氮和氢来生产氨。氢通常由甲烷通过产生大量温室气体足迹的工艺产生。
据Kwon和Barteau介绍，他们的研究重点是寻找一种比哈伯-博世工艺更环保的替代方案。他们正在开发用于电化学氮还原反应(称为NRR)的电催化剂，该反应利用的是水中的氢原子。
Kwon表示：“我们的目标是了解并增强催化剂表面氮和氢的相互作用，以便在较低温度和压力下高效生产氨。为了使这些催化剂发挥我们所希望的作用，我们通过计算分析了各种材料及其特性，以预测哪种材料在NRR条件下性能最佳。”
Kwon和Barteau团队结合密度泛函理论(DFT)和动力学蒙特卡罗(kMC)模拟的计算方法来预测电化学反应条件下催化剂的效率和稳定性。
密度泛函理论是一种利用物理学、化学和材料科学研究原子和分子电子结构的建模方法。这种方法使权教授能够预测不同材料如何与氮和氢分子相互作用。
“DFT和kMC等计算工具彻底改变了21世纪的催化剂设计，”Barteau是将DFT应用于非均相催化剂的早期实践者之一，他表示。“这些工具的组合尤其强大，能够预测活性材料在不同条件下和一段时间内的动态性能。”
动力学蒙特卡罗模拟使用概率估计来预测不确定事件的可能结果。这将有助于研究人员了解反应在不同温度和压力下如何发展，从而深入了解潜在催化剂的可扩展性和寿命。
“我们的目标是探索新的电催化剂材料，”Kwon说。“然而，单独使用每种方法会限制材料和反应过程的特性范围。这种方法使我们能够在实验室测试之前系统地优化催化剂，简化开发过程，为更可持续的肥料生产方法铺平道路。”
Kwon还希望这项研究能够在催化剂设计上取得突破，并在分子水平上更好地理解其功能。
该研究重点关注的几个关键领域是减少环境影响、推进绿色化学、促进能源安全和促进技术创新。
Kwon说：“这种综合方法不仅加速了可行催化剂的发现，而且还提供了对其在现实条件下的行为的全面了解，为实验验证和最终的工业应用奠定了基础。”