Lab træder på gassen for at forbedre kemisk produktion

For at optimere katalysatorens ydeevne, et team af forskere fra Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) og samarbejdspartnere har udviklet en detaljeret forståelse af effekten af ​​forbehandlingsinducerede strukturelle og sammensætningsmæssige ændringer i nanoskala på katalysatoraktivitet og langsigtet stabilitet.

Forskningen kunne gøre produktionen af ​​det vigtige industrielle råstofkemikalie acetaldehyd mere effektiv.

Forbedringer i energieffektiviteten af ​​kemisk produktion er nødvendige for at imødegå globale energiudfordringer. Heterogen katalyse ved hjælp af nanomaterialer har potentiale til væsentligt at øge effektiviteten gennem forbedring af reaktionsselektivitet og nedsættelse af driftstemperaturen ved processer med store mængder. Nanomaterialer kan også muliggøre nye katalytiske processer, der forbedrer effektiviteten ved at eliminere behovet for adskillelse af biprodukter, såsom vand.

Fremstillingen af ​​acetaldehydet er et godt eksempel på behovet for at forbedre energieffektiviteten af ​​kemiske omdannelser. Acetaldehyd er et udgangsmateriale for flere industrielle kemikalier.

Den nuværende proces til fremstilling af acetaldehyd er den oxidative dehydrogenering af ethanol katalyseret af sølv, som kræver høj temperatur og adskillelse af biproduktet, vand.

Men LLNL-teamet og samarbejdspartnere fandt en måde at stabilisere nikkel (Ni)-doteret kobber (Cu) katalysatorer, der muliggør direkte katalytisk ikke-oxidativ dehydrogenering af ethanol mod acetaldehyd og hydrogen, et rent brændstof.

"Ikke-oxidativ dehydrogenering af ethanol giver mange fordele i forhold til nuværende produktionsmetoder, herunder generering af brint som et biprodukt og samtidig undgå adskillelse af vand, biproduktet af oxidativ ethanoldehydrogenering, " sagde LLNL-materialeforsker Juergen Biener, hovedforfatter på et papir, der vises i tidsskriftet Katalysevidenskab og teknologi .

Forskere er interesserede i katalysatorer sammensat af Ni og Cu på grund af deres anvendelse i mange katalytiske og elektrokatalytiske anvendelser (herunder reduktion af kuldioxid). De er også rigelige og relativt billige.

Ved at bruge in situ og ex situ røntgenfotoelektronspektroskopi og forskellige elektronmikroskopiteknikker, holdet fandt ud af, at den katalytiske aktivitet og stabilitet af en nanoporøs (np) NiCu-legeringskatalysator kan forbedres ved at generere en kinetisk fanget Ni-undergrundstilstand gennem en iltforbehandling.

Eksponering af den oxiderede overflade for ethanol ved reaktionstemperatur reducerer CuO -overfladen, mens det meste af Ni forbliver oxideret og indlejret i Cu. I denne tilstand, Ni-doping giver stabil (mere end 60 timer) og forbedret aktivitet til katalytisk dehydrogenering af ethanol til acetaldehyd og hydrogen.

"Denne undersøgelse understreger vigtigheden af ​​at forstå de dynamiske ændringer af katalytiske overflader udløst af eksponering for reaktive gasser som et værktøj til at justere materialeegenskaber og forbedre deres ydeevne, med implikationer, der strækker sig til elektrokatalyse, fotokatalyse, materialevidenskab, metalbaserede biologiske anvendelser og mere, "Sagde Biener.