Team løser et årti gammelt mysterium i kemiske transformationer

Forskere ved Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har løst et mysterium for en kemisk reaktion, der er afgørende for produktion af brændstof og gødning. Den såkaldte vand-gas shift-reaktion danner brintbrændstof og kuldioxid fra kulilte og damp. Forskningen adresserer et grundlæggende spørgsmål i de kemiske transformationer, der udføres ved hjælp af katalysatorer, kemikalier, der hjælper med at fremskynde reaktioner og bruges til at fremstille tusindvis af forbruger- og industriprodukter.

Opdagelsen, offentliggjort i oktober 2019-udgaven af Naturkatalyse , behandler et grundlæggende kylling-eller-æg-spørgsmål i katalyse:Skaber interaktioner mellem kemiske reaktanter og katalysatoren et "aktivt sted" eller findes der allerede et "aktivt sted" i katalysatoren?

Ved at bruge en kombination af sofistikerede teknikker, der kan spore reaktionen i realtid, forskerne, ledet af Janos Szanyi og Vassiliki-Alexandra (Vanda) Glezakou, bestemt eksperimentelt, at det aktive sted ikke er iboende for katalysatoren. I stedet, det skabes, når katalysatoren støder på den reaktant. PNNL-teamet besvarede spørgsmålet ved at observere tydelige ændringer i katalysatoregenskaber før og efter mødet med den reaktant.

"Vores nye forståelse har givet os en køreplan for at udvikle mere effektive katalysatorer, " sagde Nicholas Nelson, en PNNL postdoktoral forskningsmedarbejder og førsteforfatter på forskningsartiklen. "En sådan vej er at bruge et enkelt-metalatom som det katalytiske sted, i modsætning til flere hundrede metalatomer klistret til hinanden. Dette vil maksimere katalysatoreffektiviteten ved at sikre, at hvert metalatom deltager i reaktionen."

Hvis forskerne kunne udvikle sig hurtigere, mere stabile katalysatorer til at drive vand-gas shift-reaktionen, det ville øge produktionseffektiviteten for gødningsingredienser, såsom ammoniak, eller brændstoffer såsom kulbrinter, methanol, og hydrogen.

"Denne opdagelse kan også føre til, at brændselscelleteknologi bliver mere udbredt i energisektoren, som kan sænke transportemissioner og diversificere vores energiportefølje, " sagde Nelson.

Opdagelsen er kulminationen på mere end to års eksperimenter udført inden for PNNL's Institute for Integrated Catalysis, som udforsker og udvikler kemien og teknologien i katalyserede processer, der muliggør en kulstofneutral fremtid. Forskerne brugte et specialiseret stykke udstyr, der kan "se" reaktionen ske i realtid. Ved at kombinere to former for spektroskopi, forskere var i stand til at følge reaktionsprocessen i hidtil usete detaljer, at sortere præcist ud, hvornår og hvordan kemikalierne blev kombineret, og hvordan produkter blev genereret. Kombinationen af ​​instrumentkapacitet og eksperimenter med ukonventionelle gassekvenser var afgørende for at identificere nøglemellemproduktet under vand-gas-skiftreaktionen.

Mellemproduktet i denne reaktion, kaldet en carboxyl, blev teoretisk foreslået for over 10 år siden, endnu er ikke blevet opdaget eksperimentelt indtil nu. Udviklingen og påvisningen af ​​dette mellemprodukt er et vigtigt fund, der ændrer den måde, videnskabsmænd tænker på samspillet mellem brint og enkeltmetalatomkatalysatorer. Den nye indsigt vil ikke kun hjælpe med udviklingen af ​​katalysatorer til vand-gasskift, men også adskillige andre reaktioner, der involverer brint.