Lyshøstende nanopartikelkatalysatorer viser løfte i jagten på vedvarende kulstofbaserede brændstoffer

Forskere rapporterer, at små mængder nyttige molekyler såsom kulbrinter produceres, når kuldioxid og vand reagerer i nærværelse af lys og en sølvnanopartikelkatalysator. Deres valideringsundersøgelse – gjort mulig gennem brug af en højopløsningsanalyseteknik – kunne bane vejen for CO ₂ -reduktionsteknologier, der tillader produktion i industriel skala af vedvarende kulstofbaserede brændstoffer.

Studiet, ledet af University of Illinois Urbana-Champaign kemiprofessor Prashant Jain, sonderer kemisk aktivitet på overfladen af ​​sølv nanopartikelkatalysatorer under synligt lys og bruger kulstofisotoper til at spore oprindelsen og produktionen af ​​disse tidligere uopdagede kemiske reaktioner. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation.

Sollys-drevet omdannelse af CO ₂ og vand til energitætte multicarbon-forbindelser er en levedygtig teknologi til vedvarende energiproduktion og kemisk fremstilling. På grund af dette, forskere har været på jagt efter syntetiske katalysatorer, der letter CO2 i stor skala ₂ reduktion til multicarbon molekyler, undersøgelsen rapporterer.

"Katalytiske kemiske reaktioner på industriniveau testes og optimeres sædvanligvis på basis af slutprodukternes bulkprofil, " sagde Jain. "Men der er kemiske arter dannet på mellemstadier af sådanne reaktioner, på overfladen af ​​katalysatorerne, Det kan være for få til at opdage og måle ved hjælp af konventionelle metoder, men er fundamentale tegn på, hvordan en katalysator fungerer."

I laboratoriet, Jains team brugte et specielt udstyret Raman-spektroskop til at detektere og identificere enkelte molekyler dannet på overfladen af ​​individuelle sølvnanopartikler. Ved at isolere en enkelt nanopartikel, hvorpå de kemiske reaktioner skrider frem, forskerne kan bruge en meget fokuseret laser til at excitere molekyler, der dannes på katalysatoroverfladen, for at skabe et spektralt signal, der identificerer de molekyler, der dannes i diskret, elementære trin i den overordnede kemiske proces.

"Jeg kan godt lide at tænke på dette arbejde i form af en historie, " sagde Jain. "Der er et overordnet tema for en historie, hvilket er reduktionen af ​​CO ₂ . Hovedpersonerne er CO ₂ , H ₂ Åh, sølv nanopartikler, kulilte og hydrogenioner, for eksempel. Men der er også nogle mere mindre men meget interessante karakterer som butanol, acetat og oxalsyre, der hjælper med at fortælle hovedpersonernes baghistorie. Og nogle gange, de mindre karakterer er meget mere interessante end de store."

Nogle gange kan mindre karakterer komme med nogle utilsigtede spillere, sagde Jain. For at sikre, at de mellemliggende kulstofbaserede molekyler, som forskerne opdagede, er et resultat af CO ₂ reduktionsproces og ikke forurening, de brugte CO ₂ kun indeholder kulstof-13 isotopen, som kun udgør 1,1% af kulstoffet på Jorden.

"Ved at bruge kulstof-13 til at spore reaktionsvejene kunne vi bekræfte, at eventuelle målte kulbrinter var der som et resultat af CO ₂ vi tilsatte med vilje i reaktionsbeholderen, og ikke ved et uheld introduceres via kontaminering af sølvnanopartiklerne eller senere under analyseprocessen, " sagde Jain. "Carbon-13 er sjælden, så hvis vi skulle opdage det i vores reaktionsprodukter, vi ville vide, at det var resultatet af den lysdrevne omdannelse af CO ₂ og C-C-bindingsdannelse."

Omfanget af multicarbon-molekyledannelse ved at bruge sølvnanopartikelkatalysatorer forbliver meget lille på dette stadium af forskningen, sagde Jain. Imidlertid, forskere kan koncentrere sig om at udvikle forbedrede syntetiske katalysatorer og opskalere til industriel produktion, nu hvor løftet om lys-høstende nanopartikler er blevet afsløret.