每年有数千起死亡案例与氮氧化物（NOx）排放直接相关，这类污染物常产生于汽车内燃机的高温燃烧过程，主要引发心血管疾病。当前汽车尾气处理系统普遍采用选择性催化还原（SCR）技术，利用专用催化剂将有害的氮氧化物转化为无害的氮气（N2）。
在此类系统中，沸石等多孔材料被广泛应用。它们拥有巨大的内表面积和复杂的活性中心，能够催化多种反应路径。沸石的孔径通常在纳米级别，相当于分子尺寸的笼子，能将反应物分子限制在活性位点附近，从而促进特定化学反应的发生。
然而，这些纳米孔道内发生的化学反应极其复杂，成千上万种反应相互关联并相互竞争，形成庞大的反应网络。杜塞尔多夫大学（HHU）物理化学研究所的扬·迈斯纳教授指出：“尽管我们已知许多反应，但常存在完全新颖且出人意料的机制，这些是我们未曾设想的。”其团队开发的“纳米反应器周期性分子动力学”方法，能够在不依赖任何先验化学知识的情况下，自主识别反应机制，实现对反应网络的自动化探索。
为了**测定反应速率，量子力学计算不可或缺，但这类计算耗时极长，导致传统模拟只能覆盖极短的时间尺度。通过引入“纳米反应器分子动力学”（NMD）技术，研究人员为分子额外施加能量脉冲，从而在模拟中观测到更多化学反应。杜塞尔多夫大学的化学家扩展了这一技术，使其能够探测多孔材料中极其罕见的反应，并直接观测到此前未知的反应机制。
该方法为催化反应网络研究带来了全新视角：不再孤立观察各个反应步骤，而是将整个反应网络可视化。这使得研究人员能够发现副反应、中间产物以及复杂的反应机理。文章第一作者丹尼尔·戴森贝克表示：“NMD方法的核心优势在于其预测能力，它能自主探索化学空间且无需额外假设，甚至能‘发现’我们未曾想到的反应。”随后通过热力学方法评估结果，研究人员可获得与发现机制相关的关键热力学数据。
杜塞尔多夫化学家将该方法应用于氮氧化物SCR反应及其副反应研究，其中一氧化二氮（N2O）的生成机制尤为关键。作为一种强效温室气体，N2O是SCR过程中不希望产生的副产物，应尽可能避免。戴森贝克透露：“我们找到了一条此前模型中未出现的生成一氧化二氮的新路径。我们的研究结果有望帮助开发污染更少、效率更高的尾气催化剂。”
除了这一新型反应网络研究方法，该成果还为催化剂研发开辟了广阔前景，涵盖可持续化学、低排放工艺及新型催化剂设计等领域。该方法特别适用于研究其他多孔材料（如金属有机骨架化合物）及表面上的反应。迈斯纳教授强调：“从长远看，我们的方法可显著缩短催化剂研发周期，因为潜在的相关反应路径能被早期系统性地识别，从而实现催化剂的定向设计。”