Hvordan en enkelt katalysator kan begynde at omdanne kuldioxid til brændstof på to måder

Stort set al kemi og brændstofproduktion er afhængig af katalysatorer, som fremskynder kemiske reaktioner uden at blive forbrugt i processen. De fleste af disse reaktioner finder sted i enorme reaktorbeholdere og kan kræve høje temperaturer og tryk.

Forskere har arbejdet med alternative måder at drive disse reaktioner på med elektricitet, frem for varme. Dette kan muligvis tillade billige, effektiv, distribueret fremstilling drevet af vedvarende energikilder.

Men forskere, der specialiserer sig i disse to tilgange - varme versus elektricitet - har en tendens til at arbejde uafhængigt, udvikle forskellige typer katalysatorer skræddersyet til deres specifikke reaktionsmiljøer.

En ny forskningslinje har til formål at ændre det. Forskere ved Stanford University og Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory rapporterede i dag, at de har lavet en ny katalysator, der arbejder med enten varme eller elektricitet. Baseret på nikkelatomer, katalysatoren fremskynder en reaktion for at omdanne kuldioxid til kulilte - det første trin i fremstilling af brændstoffer og nyttige kemikalier fra CO ₂ .

Resultaterne repræsenterer et vigtigt skridt i retning af at forene forståelsen af ​​katalytiske reaktioner under disse to meget forskellige forhold med forskellige drivkræfter i spil, sagde Thomas Jaramillo, professor ved SLAC og Stanford og direktør for SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis, hvor forskningen fandt sted.

"Dette er en sjældenhed inden for vores område, "sagde han." Det faktum, at vi kunne samle det i én ramme for at se på det samme materiale, er det, der gør dette arbejde specielt, og det åbner op for en helt ny vej til at se på katalysatorer på en meget bredere måde. "

Resultaterne forklarer også, hvordan den nye katalysator driver denne nøglereaktion hurtigere, når den bruges i en elektrokemisk reaktor, sagde forskerholdet. Deres rapport optrådte i den trykte udgave af Angewandte Chemie denne uge.

Mod en bæredygtig kemi -fremtid

Find måder at transformere CO ₂ til kemikalier, brændstoffer, og andre produkter, fra methanol til plast og syntetisk naturgas, er et stort fokus for SUNCAT -forskning. Hvis det udføres i stor skala ved hjælp af vedvarende energi, det kan skabe markedsincitamenter til genanvendelse af drivhusgassen. Dette vil kræve en ny generation af katalysatorer og processer for at udføre disse transformationer billigt og effektivt i industriel skala - og at gøre disse opdagelser vil kræve nye ideer.

På jagt efter nogle nye retninger, SUNCAT dannede et team af ph.d. studerende, der involverer tre forskningsgrupper i kemiteknisk afdeling i Stanford:Sindhu Nathan fra professor Stacey Bents gruppe, hvis forskning fokuserer på varmedrevne katalytiske reaktioner, og David Koshy, som er rådgivet af Jaramillo og professor Zhenan Bao og har fokuseret på elektrokemiske reaktioner.

Nathans arbejde har været rettet mod at forstå varmedrevne katalytiske reaktioner på en grundlæggende, atomniveau.

"Varmedrevne reaktioner er det, der normalt bruges i industrien nu, "sagde hun." Og for nogle reaktioner, en varmedrevet proces ville være udfordrende at implementere, fordi det kan kræve meget høje temperaturer og tryk for at få den ønskede reaktion til at fortsætte. "

Kørsel af reaktioner med elektricitet kan gøre nogle transformationer mere effektive, Koshy sagde, "fordi du ikke behøver at varme tingene op, og du kan også gøre reaktorer og andre komponenter mindre, billigere og mere modulopbygget - plus det er en god måde at drage fordel af vedvarende ressourcer. "

Forskere, der studerer disse to typer reaktioner, arbejder parallelt og interagerer sjældent, så de har ikke mange muligheder for at få indsigt fra hinanden, der kan hjælpe dem med at designe mere effektive katalysatorer.

Men hvis de to lejre kunne arbejde på den samme katalysator, det ville danne grundlag for at forene deres forståelse af reaktionsmekanismer i begge miljøer, Sagde Jaramillo. "Vi havde teoretiske grunde til at tro, at den samme katalysator ville fungere i begge sæt reaktionsbetingelser, " han sagde, "men denne idé var ikke blevet testet."

En ny vej til opdagelse af katalysatorer

Til deres eksperimenter, holdet valgte en katalysator, Koshy for nylig syntetiserede kaldet NiPACN. De aktive dele af katalysatoren - de steder, hvor den griber forbipasserende molekyler, får dem til at reagere og frigiver produkterne - består af individuelle nikkelatomer bundet til nitrogenatomer, der er spredt gennem kulstofmaterialet. Koshys forskning havde allerede fastslået, at NiPACN kan drive visse elektrokemiske reaktioner med høj effektivitet. Kan det gøre det samme under termiske forhold?

For at besvare dette spørgsmål, holdet tog den pulveriserede katalysator til SLACs Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL). De arbejdede sammen med Distinguished Staff Scientist Simon Bare for at udvikle en lille reaktor, hvor katalysatoren kunne fremskynde en reaktion mellem hydrogen og kuldioxid ved høje temperaturer og tryk. Opsætningen tillod dem at skinne røntgenstråler ind i reaktionen gennem et vindue og se reaktionen fortsætte.

I særdeleshed, de ville se, om de barske forhold inde i reaktoren ændrede katalysatoren, da det letter reaktionen mellem hydrogen og CO ₂ .

"Folk kan sige, hvordan ved du, at atomstrukturen ikke ændrede sig, gør dette til en lidt anden katalysator end den, vi tidligere havde testet i elektrokemiske reaktioner? "sagde Koshy." Vi måtte vise, at nikkelreaktionscentrene stadig ser det samme ud, når reaktionen er færdig. "

Det er præcis, hvad de fandt, da de undersøgte katalysatoren i atomiske detaljer før og efter reaktionen med røntgenstråler og transmissionselektronmikroskopi.

Fremadrettet, forskergruppen skrev, undersøgelser som denne vil være afgørende for at forene studiet af katalytiske fænomener på tværs af reaktionsmiljøer, som i sidste ende vil styrke bestræbelserne på at opdage nye katalysatorer til omdannelse af brændstof- og kemiindustrien.