Zinkoxid:Nøglekomponent til methanolsyntesereaktionen over kobberkatalysatorer

Den nuværende kommercielle produktion af methanol gennem hydrogenering af drivhusgassen CO ₂ bygger på en katalysator bestående af kobber, zinkoxid og aluminiumoxid. Selvom denne katalysator har været brugt i mange årtier i den kemiske industri, ukendte er stadig tilbage. Et team af forskere fra Interface Science Department på Fritz-Haber-Institute i Max Planck Society, Ruhr-universitetet Bochum, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), FZ Juelich og Brookhaven National Laboratory har nu belyst oprindelsen til spændende katalytisk aktivitet og selektivitetstendenser for komplekse nanokatalysatorer, mens de er på arbejde. I særdeleshed, de kaster lys over oxidstøttens rolle og afslørede, hvordan methanolproduktionen kan påvirkes af små mængder zinkoxid i tæt kontakt med kobber.

Methanol kan tjene som energikilde eller som råvare til produktion af andre kemikalier, med over 60 millioner tons produceret årligt. Det traditionelle kobber, zinkoxid og aluminiumoxidkatalysator omdanner syntesegas, som består af H2, CO og CO ₂ , i methanol. Selvom det er pålideligt, denne specifikke katalysators effektivitet ændres over tid, påvirker dermed dets levetid, som det er tilfældet med mange katalysatorer. "Vi studerede derfor kobber og blandede kobber-zink-nanopartikler på forskellige oxidunderstøttelser for at forstå, hvordan de interagerer og udvikler sig og afslører hver katalysatorbestanddeles rolle. Denne viden vil tjene til at forbedre fremtidige katalysatorer." siger Núria Jiménez Divins, en af ​​undersøgelsens hovedforfattere.

Teamet undersøgte den katalytiske proces under realistiske reaktionsbetingelser, der gengav dem, der blev anvendt i den industrielle proces, hvilket betyder høje tryk (20-60 bar) og milde temperaturer. Dette krævede synkrotrongenereret røntgenstråling. Simon R. Bare fra Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, hvem bidrog til eksperimenterne, forklarer:"Reaktioner ved sådan temperatur og højt tryk skal finde sted i en lukket beholder, som også skal være gennemsigtig for røntgenstrålerne, hvilket gør målingerne udfordrende. Det særlige reaktordesign i kombination med synkrotronstråling tillod os at foretage såkaldte operandomålinger, hvor vi så live hvad der sker med de katalytiske komponenter ved de industrielt relevante reaktionsbetingelser. "Dette tillod forskerne at følge ikke kun katalysatorens fødsel og død, men også dens udvikling og transformationer, der fører til ændringer i dets aktivitet og selektivitet.

Ved at kombinere resultater fra mikroskopi, spektroskopi og katalytiske målinger, teamet fandt ud af, at nogle understøtninger havde en mere positiv indflydelse på katalysatorens ydeevne end andre på grund af deres interaktion med zinkoxid, som var tilgængelig på en meget fortyndet måde som en del af Cu-Zn nanopartikler. På siliciumoxidunderstøtninger, zinkoxid blev delvist reduceret til metallisk zink eller gav anledning til en messinglegering under den katalytiske proces, hvilket med tiden viste sig at være skadeligt for methanolproduktionen. Ved brug af aluminiumoxid som understøtning, zink interagerer stærkt med støtten og bliver inkorporeret i sit gitter, hvilket giver anledning til en ændring i reaktionsselektivitet over for dimethylether. "Dette er et interessant fund", siger David Kordus, den anden hovedforfatter af undersøgelsen og ph.d. studerende ved Interface Science Department på FHI. "Vi ved nu, at valget af støttemateriale har indflydelse på, hvordan de aktive komponenter i katalysatoren opfører sig og dynamisk tilpasser sig reaktionsbetingelserne. Især zinkets oxidationstilstand er kritisk påvirket af dette, som bør overvejes for fremtidig katalysatordesign. "

Dette værk blev offentliggjort i Naturkommunikation viser, at zinkoxid ikke behøver at være tilgængeligt som en del af støtten, men at den stadig har en gavnlig funktion, selv når den er tilgængelig i meget fortyndet form som en del af selve nanopartikelkatalysatoren. Dette vil hjælpe med at belyse methanolsyntesekatalysatorerne bedre og potentielt føre til en forbedring af katalysatoren for denne vigtige industrielle proces.