Opgradering af biomasse med selektive overflademodificerede katalysatorer

Forskere har designet en katalysator sammensat af meget lave koncentrationer af platin (enkelte atomer og klynger mindre end milliardtedele af en meter) på overfladen af ​​titaniumdioxid. De demonstrerede, hvordan denne katalysator markant øger hastigheden for at bryde en bestemt carbon-oxygenbinding til omdannelsen af ​​et plantederivat (furfurylalkohol) til et potentielt biobrændstof (2-methylfuran). Deres strategi - beskrevet i et papir offentliggjort i Naturkatalyse den 23. marts – kunne anvendes til at designe stald, aktiv, og selektive katalysatorer baseret på en lang række metaller understøttet på metaloxider til fremstilling af industrielt anvendelige kemikalier og brændstoffer fra biomasseafledte molekyler.

"For at et molekyle skal generere et bestemt produkt, reaktionen skal ledes ad en bestemt vej, fordi mange sidereaktioner, der ikke er selektive for det ønskede produkt, er mulige, "forklarede medforfatter Anibal Boscoboinik, en stabsforsker i Center for Functional Nanomaterials (CFN) Interface Science and Catalysis Group ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory. "At omdanne furfurylalkohol til biobrændstof, bindingen mellem kulstof- og oxygenatomer på sidegruppen, der er knyttet til den ringformede del af molekylet, skal brydes, uden at producere nogen reaktioner i ringen. Typisk, metalkatalysatoren, der bryder denne binding, aktiverer også ringrelaterede reaktioner. Imidlertid, katalysatoren designet i denne undersøgelse bryder kun sidegruppens carbon-oxygenbinding."

Aromatiske ringe er strukturer med atomer forbundet gennem enkelt- eller dobbeltbindinger. I molekyler afledt af planteaffald, aromatiske ringe har ofte oxygenholdige sidegrupper. At omdanne planteaffaldsderivater til nyttige produkter kræver fjernelse af oxygen fra disse sidegrupper ved at bryde specifikke kulstof-iltbindinger.

"Biomasse indeholder meget ilt, som skal fjernes delvist for at efterlade flere nyttige molekyler til produktion af vedvarende brændstoffer, plastik, og højtydende smøremidler, " sagde medforfatter Jiayi Fu, en kandidatstuderende ved Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) ved University of Delaware (UD). "Hydrodeoxygenering, en reaktion, hvor hydrogen bruges som en reaktant til at fjerne ilt fra et molekyle, er nyttig til at konvertere biomasse til værdiskabende produkter."

I dette studie, forskerne antog, at tilsætning af ædelmetaller til overfladerne af moderat reducerbare metaloxider - dem, der kan miste og få iltatomer - ville fremme hydrodeoxygenering.

"Fjernelse af ilt fra oxidoverfladen danner et forankringssted, hvor molekyler kan holdes på plads, så de nødvendige bindinger kan brydes og dannes, " sagde co-first forfatter og UD CCEI kandidatstuderende Jonathan Lym. "Tidligere undersøgelser i katalyse og halvleder samfund har vist, hvor meget urenheder kan påvirke overfladen."

For at teste deres hypotese, holdet valgte platin som ædelmetal og titaniumdioxid (titania) som metaloxid. Teoretiske beregninger og modellering indikerede, at dannelsen af ​​ilt ledige pladser er mere energisk gunstig, når enkelte atomer af platin indføres på overfladen af ​​titaniumdioxid.

Efter syntetisering af platin-titanoxid-katalysatoren ved UD, de udførte forskellige strukturelle og kemiske karakteriseringsundersøgelser ved hjælp af faciliteter på Brookhaven og Argonne National Labs. På CFN Electron Microscopy Facility, de afbildede katalysatoren i høj opløsning med et scanningstransmissionselektronmikroskop. Hos Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), de brugte In situ og Operando Soft X-ray Spectroscopy (IOS) beamline og Quick X-ray Absorption and Scattering (QAS) beamline til at spore den kemiske (oxidations) tilstand af platin. Gennem komplementære røntgenspektroskopiundersøgelser ved Argonne's Advanced Photon Source (APS), de bestemte afstanden mellem atomer i katalysatoren.

"Dette arbejde er et godt eksempel på, hvordan videnskabelige brugerfaciliteter giver forskere den supplerende information, der er nødvendig for at forstå komplekse materialer, " sagde CFN-direktør Chuck Black. "CFN er forpligtet til vores partnerskab med NSLS-II for at muliggøre denne slags undersøgelser foretaget af videnskabsmænd fra hele verden."

Tilbage til Delaware, holdet udførte reaktivitetsundersøgelser, hvor de anbragte katalysatoren og furfurylalkoholen i en reaktor og detekterede produkterne gennem gaskromatografi, en analytisk kemisk adskillelsesteknik. Ud over disse eksperimenter, de beregnede teoretisk den mængde energi, der kræves for at forskellige trin af reaktionen forløber. På baggrund af disse beregninger, de kørte computersimuleringer for at bestemme de foretrukne reaktionsveje. De simulerede og eksperimentelle produktfordelinger indikerede begge, at ubetydelige ringreaktionsprodukter dannes, når en lav koncentration af platin er til stede. Når denne koncentration øges, platinatomerne begynder at samle sig i større klynger, der ansporer til ringreaktioner.

"Den komplementære eksperimentelle og beregningsmæssige ramme giver mulighed for en detaljeret forståelse af, hvad der sker på overfladen af ​​et meget komplekst materiale på en måde, så vi kan generalisere koncepter for rationelt design af katalysatorer, " sagde Boscoboinik. "Disse koncepter kan hjælpe med at forudsige passende kombinationer af metaller og metaloxider til at udføre ønskede reaktioner for at omdanne andre molekyler til værdifulde produkter."

"Dette teamwork med flere medlemmer kan kun aktiveres af centerlignende aktiviteter, " tilføjede den tilsvarende forfatter Dionisios Vlachos, UD Allan &Myra Ferguson Chair of Chemical Engineering.