Chemists ID katalytisk nøgle til omdannelse af CO2 til methanol

At opfange kuldioxid (CO2) og omdanne det til nyttige kemikalier såsom methanol kan reducere både forurening og vores afhængighed af olieprodukter. Så videnskabsmænd er intenst interesserede i de katalysatorer, der letter sådanne kemiske omdannelser. Ligesom molekylære dealmakere, katalysatorer bringer de reagerende kemikalier sammen på en måde, der gør det lettere for dem at bryde og omarrangere deres kemiske bindinger. Forståelse af detaljer om disse molekylære interaktioner kunne pege på strategier til at forbedre katalysatorerne for mere energieffektive reaktioner.

Med det mål for øje, kemikere fra det amerikanske energiministeriums Brookhaven National Laboratory og deres samarbejdspartnere har netop frigivet resultater fra eksperimenter og beregningsmodelleringsstudier, der definitivt identificerer det "aktive sted" for en katalysator, der almindeligvis anvendes til fremstilling af methanol ud fra CO2. Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet Videnskab , løse en langvarig debat om, præcis hvilke katalytiske komponenter, der deltager i de kemiske reaktioner - og bør være fokus for indsatsen for at øge ydeevnen.

"Denne katalysator lavet af kobber, Zinkoxid, og aluminiumoxid - bruges i industrien, men det er ikke særlig effektivt eller selektivt, " sagde Brookhaven kemiker Ping Liu, undersøgelsens hovedforfatter, som også har en adjungeret stilling ved det nærliggende Stony Brook University (SBU). "Vi vil gerne forbedre det, og få den til at fungere ved lavere temperaturer og lavere tryk, som ville spare energi, " hun sagde.

Men forud for denne undersøgelse, forskellige grupper af videnskabsmænd havde foreslået to forskellige aktive steder for katalysatoren - en del af systemet med kun kobber- og zinkatomer, eller en portion med kobberzinkoxid.

"Vi ville vide, hvilken del af den molekylære struktur, der binder og bryder og laver bindinger for at omdanne reaktanter til produkt - og hvordan det gør det, " sagde medforfatter Jose Rodriguez, en anden Brookhaven-kemiker tilknyttet SBU.

At finde ud af, Rodriguez udførte en række laboratorieforsøg ved brug af veldefinerede modelkatalysatorer, inklusive en lavet af zink-nanopartikler understøttet på en kobberoverflade, og en anden med zinkoxidnanopartikler på kobber. For at skelne de to fra hinanden, han brugte en energisk røntgenstråle til at zappe prøverne, og målte egenskaberne af udsendte elektroner. Disse elektroniske "signaturer" indeholder information om oxidationstilstanden af ​​de atomer, elektronerne kom fra - hvad enten det er zink eller zinkoxid.

I mellemtiden Liu, Jingguang Chen fra Brookhaven Lab og Columbia University, og Shyam Kattel, den første forfatter af papiret og en postdoc-stipendiat, der blev rådgiver af Liu og Chen, brugte beregningsressourcer på Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) og National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) - to DOE Office of Science User Facilities - til at modellere, hvordan disse to typer katalysatorer ville indgå i CO2-til-methanol-transformationerne . Disse teoretiske undersøgelser bruger beregninger, der tager højde for de grundlæggende principper for at bryde og lave kemiske bindinger, inklusive den nødvendige energi, atomernes elektroniske tilstande, og reaktionsbetingelserne, giver videnskabsmænd mulighed for at udlede reaktionshastighederne og bestemme, hvilken katalysator der vil give den bedste omdannelseshastighed.

"Vi fandt ud af, at kobberzinkoxid skulle give de bedste resultater, og at kobberzink ikke engang er stabilt under reaktionsbetingelser, " sagde Liu. "Faktisk, det reagerer med ilt og omdannes til kobberzinkoxid."

Disse forudsigelser matchede, hvad Rodriguez observerede i laboratoriet. "Vi fandt ud af, at alle de steder, der deltog i disse reaktioner, var kobberzinkoxid, " han sagde.

Men glem ikke kobberet.

"I vores simuleringer, alle reaktionsmellemprodukterne - de kemikalier, der dannes på vejen fra CO2 til methanol, binder til både kobber og zinkoxid, " sagde Kattel. "Så der er en synergi mellem kobber og zinkoxid, der accelererer den kemiske omdannelse. Du har brug for både kobber og zinkoxid."

Optimering af kobber/zinkoxid-grænsefladen bliver det drivende princip for design af en ny katalysator, siger forskerne.

"Dette arbejde viser tydeligt synergien fra at kombinere teoretiske og eksperimentelle bestræbelser på at studere katalytiske systemer af industriel betydning, " sagde Chen. "Vi vil fortsætte med at bruge de samme kombinerede tilgange i fremtidige undersøgelser."

For eksempel, sagde Rodriguez, "Vi vil prøve forskellige konfigurationer af atomerne ved kobber/zinkoxid-grænsefladen for at se, hvordan det påvirker reaktionshastigheden. vi vil gå fra at studere modelsystemet til systemer, der ville være mere praktiske til brug for industrien."

Et væsentligt værktøj til dette næste trin vil være Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en anden Office of Science-brugerfacilitet. NSLS-II producerer ekstremt lyse stråler af røntgenstråler - omkring 10, 000 gange lysere end den bredstrålende laboratorie røntgenkilde, der blev brugt i denne undersøgelse. Disse intense røntgenstråler vil tillade forskerne at tage snapshots i høj opløsning, der afslører både strukturel og kemisk information om katalysatoren, reaktanterne, og de kemiske mellemprodukter, der dannes, når reaktionen finder sted.

"Og vi vil fortsætte med at udvide teorien, " sagde Liu. "Teorien peger på de mekanistiske detaljer. Vi ønsker at modificere interaktioner ved kobber/zinkoxid-grænsefladen for at se, hvordan det påvirker katalysatorens aktivitet og effektivitet, og vi har brug for teorien for også at komme videre med det."