Forskere viser, hvordan man styrer katalysator, der gør en drivhusgas til et brændstof eller råstof

Hvad hvis vi kunne vende kuldioxid, CO2, til en værdifuld ressource? Brug af CO2 som råstof til fremstilling af brændstoffer eller andre kemikalier ville give økonomiske og miljømæssige fordele. Udfordringen er at designe effektive processer, der kun giver det ønskede kemikalie:methan eller kulilte. Hvorfor? Forskere havde ikke en klar forståelse af de afgørende trin i reaktionsmekanismen. Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory, ledet af Dr. Janos Szanyi, bestemt, at formiat (HCOO-), en ofte overset ion, var et kritisk mellemprodukt i den samlede CO2 -omdannelsesproces. Balancen i hastigheden af ​​formiat- og carbonmonoxidmellemproduktkonvertering bestemmer, hvilke kemikalier der produceres.

"Denne undersøgelse giver os afgørende oplysninger om brug af et let tilgængeligt råmateriale, CO2, og gør det til noget nyttigt - et kemisk mellemprodukt, carbonmonoxid, eller en energibærer metan. Dette mellemprodukt kan bruges til produktion af højere kulbrinter, eller brændstoffer, "sagde Szanyi.

Årevis, nogle overvejer at udforme andet end en tilskuer, et molekyle, der ikke bidrog til reaktionen. Nu, teamet har vist, at formater faktisk er vitale. Forstå trinene, og formiaternes rolle, lader forskere designe en selektiv katalysator, der pumper de ønskede kemikalier ud. At forstå trinene i reaktionen giver forskere afgørende oplysninger til at kontrollere reaktionen. Yderligere, værket afslutter en mangeårig kontrovers om formiaters rolle på katalysatorens overflade.

I dette studie, et team fra Pacific Northwest National Laboratory bestemte de faktorer, der styrer katalysatorens selektivitet for CO2 -hydrogenering til kulilte eller metan. De brugte en ny kombination af operandotransmission FTIR og SSITKA (Fourier Transform Infrared Spectroscopy/Steady State Isotopic Transient Kinetic Analysis) eksperimenter.

De bestemmede adfærden for centrale mellemprodukter (formater og kulilte) på overfladen af ​​katalysatoren. Til dannelse af kulilte, det hastighedsbestemmende trin er konverteringen, eller reduktion, af adsorberet formiat ved grænsefladen mellem palladiummetalkatalysatoren og aluminiumoxidbæreren. Til metandannelse, det hastighedsbestemmende trin (se de grønne pile i figuren) tilføjer hydrogen til det adsorberede kulilte. Balancen mellem hastighederne for absorberet formiatreduktion og carbonmonoxidmetanering styrer katalysatorens selektivitet. Det er, selektiviteten kredser om, hvor hurtigt mellemprodukterne på overfladen optager brint, skaber enten kulilte eller metan.

Efter at have bestemt vigtige aspekter af reaktionen, teamet designede tre katalysatorer med forskellige fordelinger af palladium. Mængden af ​​palladium på overfladen, de fandt, er et andet vigtigt aspekt ved valg af produkter. Katalysatoren med mindst palladium producerede både kulilte og methan, med højere selektivitet for kulilte. I modsætning, højere end 80 procent selektivitet mod metandannelse blev observeret over katalysatoren med den højeste metalbelastning.

Teamet ændrer nu miljøet omkring katalysatorens aktive sted for at justere dets selektivitet. Dette arbejde har til formål at reducere mængden af ​​uønskede produkter frigivet. Ud over, teamet udvikler metoder til at forberede enkeltatomkatalysatorer for at øge effektiviteten af ​​de involverede ædle metaller.