Forskere finder en overraskelse lige under overfladen i kuldioxideksperiment

Mens du bruger røntgenstråler til at studere de tidlige stadier af en kemisk proces, der kan omformulere kuldioxid til mere nyttige forbindelser, herunder flydende brændstoffer, forskere blev overraskede, da eksperimentet lærte dem noget nyt om, hvad der driver denne reaktion.

En røntgenteknik ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), kombineret med teoretisk arbejde af et team ved California Institute of Technology, Pasadena (Caltech), afslørede, hvordan oxygenatomer indlejret meget nær overfladen af ​​en kobberprøve havde en mere dramatisk effekt på de tidlige stadier af reaktionen med kuldioxid, end tidligere teorier kunne redegøre for.

Disse oplysninger kan vise sig at være nyttige til at designe nye typer materialer for yderligere at forbedre reaktioner og gøre dem mere effektive til at omdanne kuldioxid til andre produkter. Store koncentrationer af kuldioxid er sundheds- og miljøskadelige, så forskere har søgt efter måder at fjerne det fra atmosfæren og sikkert opbevare det eller kemisk omdanne det til mere gavnlige former.

For at forklare, hvad der var på arbejde, forskerholdet udviklede computermodeller, og reviderede eksisterende teorier for at forklare, hvad de var vidne til i eksperimenter. Deres resultater blev offentliggjort online 12. juni i Proceedings of the National Academy of Sciences tidsskrift.

Kobber er en almindelig katalysator - et materiale, der bruges til at aktivere og fremskynde kemiske reaktioner - og, selvom det ikke er effektivt, det hjælper med produktionen af ​​ethanol, når det udsættes for kuldioxid og vand. I den undersøgte reaktion, kobberet hjælper med kemisk at nedbryde og samle kuldioxid- og vandmolekyler til andre molekyler.

"Vi fandt mere, end vi troede, vi ville finde ud af denne grundlæggende undersøgelse, " sagde Ethan Crumlin, en videnskabsmand ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), der ledede undersøgelsen sammen med Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) forskere Junko Yano, på Berkeley Lab, og William Goddard III, hos Caltech.

ALS er en røntgenforskningsfacilitet kendt som en synkrotron, der har snesevis af eksperimentelle strålelinjer til at udforske en bred vifte af mikroskopiske egenskaber i stof, og JCAP er fokuseret på, hvordan man omdanner kuldioxid, vand, og sollys til vedvarende brændstoffer.

"At have oxygenatomer lige under overfladen - et suboxidlag - er et kritisk aspekt for dette, " sagde Crumlin. Røntgenarbejdet bragte ny klarhed i bestemmelsen af ​​den rigtige mængde af denne underjordiske oxygen - og dens rolle i interaktioner med kuldioxidgas og vand - for at forbedre reaktionen.

"For at forstå dette suboxidlag, og suboxidet i kontakt med vand, er integreret i, hvordan vand interagerer med kuldioxid" i denne type reaktion, han tilføjede.

Goddard og hans kolleger hos Caltech arbejdede tæt sammen med Berkeley Lab-forskere for at udvikle og forfine en kvantemekanikteori, der passer til røntgenobservationerne og forklarede den elektroniske struktur af molekylerne i reaktionen.

"Dette var en god looping, iterativ proces, " sagde Crumlin. "Bare det at være nysgerrig og ikke nøjes med et simpelt svar betalte sig. Det hele begyndte at hænge sammen som en sammenhængende historie."

Goddard sagde, "Denne frem og tilbage mellem teori og eksperiment er et spændende aspekt af moderne forskning og en vigtig del af JCAP-strategien for at fremstille brændstoffer fra kuldioxid." Caltech-teamet brugte computere til at hjælpe med at forstå, hvordan elektroner og atomer omarrangerer sig i reaktionen.

På Berkeley Labs ALS, forskere benyttede sig af en røntgenteknik kendt som APXPS (omgivelsestryk røntgenfotoelektronspektroskopi, da de udsatte et tyndt folieark af et specielt behandlet kobber - kendt som Cu(111) - for kuldioxidgas og tilsatte vand ved stuetemperatur.

I fortsatte eksperimenter opvarmede de prøven lidt i oxygen for at variere koncentrationen af ​​indlejret oxygen i folien, og brugte røntgenstråler til at undersøge de tidlige stadier af, hvordan kuldioxid og vand synergistisk reagerer med forskellige mængder af underjordisk oxid på overfladen af ​​kobberet.

Røntgenundersøgelser, planlagt og udført af Marco Favaro, hovedforfatteren af ​​undersøgelsen, afslørede, hvordan kuldioxidmolekyler kolliderer med kobberets overflade, svæv derefter over det i en svagt bundet tilstand. Interaktioner med vandmolekyler tjener til at bøje kuldioxidmolekylerne på en måde, der tillader dem at fjerne brintatomer væk fra vandmolekylerne. Denne proces danner til sidst ethanol, en type flydende brændstof.

"Den beskedne mængde ilt under overfladen hjælper med at generere en blanding af metallisk og ladet kobber, der kan lette interaktionen med kuldioxid og fremme yderligere reaktioner, når de er i nærværelse af vand, " sagde Crumlin.

Kobber har nogle mangler som katalysator, Yano bemærkede, og det er i øjeblikket vanskeligt at kontrollere det endelige produkt, en given katalysator vil generere.

"Hvis vi ved, hvad overfladen gør, og hvad modellen er for denne kemiske interaktion, så er der en måde at efterligne dette og forbedre det, " sagde Yano. Det igangværende arbejde kan også hjælpe med at forudsige det endelige output af en given katalysator i en reaktion. "Vi ved, at kobber virker - hvad med forskellige kobberoverflader, kobberlegeringer, eller forskellige typer metaller og legeringer?"