Katalysatorundersøgelse fremmer omdannelsen af ​​kuldioxid til ethanol

Et internationalt samarbejde mellem forskere har taget et væsentligt skridt hen imod realiseringen af ​​en næsten "grøn" nul-net-kulstofteknologi, der effektivt vil omdanne kuldioxid, en stor drivhusgas, og brint til ethanol, som er nyttig som brændstof og har mange andre kemiske anvendelser. Undersøgelsen rapporterer en "køreplan" for succesfuldt at navigere i denne udfordrende reaktion og giver et billede af den fulde reaktionssekvens ved hjælp af teoretisk modellering og eksperimentel karakterisering.

Ledet af det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory, gruppen fastslog, at bringe cæsium, kobber, og zinkoxid sammen til en tæt-kontakt konfiguration katalyserer en reaktionsvej, der omdanner kuldioxid (CO ₂ (Na2S04) i ethanol (C2H6O). De opdagede også, hvorfor denne tredelte grænseflade er vellykket. Studiet, som er beskrevet i et papir i den 23. juli online-udgave af Journal of the American Chemical Society og er vist på publikationens forside, vil drive yderligere forskning i, hvordan man udvikler en praktisk industriel katalysator til selektiv omdannelse af CO ₂ til ethanol. Sådanne processer vil føre til teknologier, der er i stand til at genanvende CO ₂ udledes fra forbrænding og omdanne det til brugbare kemikalier eller brændstoffer.

Ingen af ​​de tre komponenter, der er undersøgt i undersøgelsen, er i stand til individuelt at katalysere CO ₂ -omdannelse til ethanol, det kan de heller ikke i par. Men når trioen samles i en bestemt konfiguration, regionen, hvor de mødes, åbner en ny rute for dannelsen af ​​kulstof-kulstofbindinger, der gør omdannelsen af ​​CO ₂ til ethanol muligt. Nøglen til dette er det velafstemte samspil mellem cæsium, kobber, og zinkoxidsteder.

"Der har været meget arbejde med omdannelse af kuldioxid til methanol, alligevel har ethanol mange fordele i forhold til methanol. Som brændstof, ethanol er sikrere og mere potent. Men dens syntese er meget udfordrende på grund af kompleksiteten af ​​reaktionen og vanskeligheden ved at kontrollere dannelsen af ​​C-C-bindinger, " sagde undersøgelsens tilsvarende forsker, Brookhaven kemiker Ping Liu. "Vi ved nu, hvilken slags konfiguration der er nødvendig for at lave transformationen, og de roller, som hver komponent spiller under reaktionen. Det er et stort gennembrud."

Grænsefladen dannes ved at afsætte små mængder kobber og cæsium på en overflade af zinkoxid. For at studere de regioner, hvor de tre materialer mødes, gruppen vendte sig til en røntgenteknik kaldet i røntgenfotoemissionsspektroskopi, som viste en sandsynlig ændring i reaktionsmekanismen for CO ₂ hydrogenering, når cæsium blev tilsat. Flere detaljer blev afsløret ved hjælp af to meget anvendte teoretiske tilgange:"density functional theory" beregninger, en beregningsmodelleringsmetode til at undersøge materialers strukturer, og "kinetisk Monte Carlo simulering, " computersimulering for at simulere reaktionskinetikken. Til dette arbejde, gruppen brugte computerressourcerne fra Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials og Lawrence Berkeley National Laboratory's National Energy Research Scientific Computing Center, både DOE Office of Science brugerfaciliteter.

En af de ting, de lærte af modelleringen, er, at cæsium er en vital bestanddel af det aktive system. Uden dens tilstedeværelse, ethanol kan ikke laves. Ud over, god koordination med kobber og zinkoxid er også vigtig. Men der er meget mere at lære.

"Der er mange udfordringer at overvinde, før man når frem til en industriel proces, der kan omdanne kuldioxid til brugbar ethanol, " sagde Brookhaven kemiker José Rodriguez, der deltog i arbejdet. "For eksempel, der skal være en klar måde at forbedre selektiviteten over for ethanolproduktion. Et nøglespørgsmål er at forstå sammenhængen mellem katalysatorens natur og reaktionsmekanismen; denne undersøgelse er i frontlinjen af ​​denne indsats. Vi sigter efter en grundlæggende forståelse af processen."

Et andet mål for dette forskningsområde er at finde en ideel katalysator for CO ₂ omdannelse til "højere" alkoholer, som har to eller flere carbonatomer (ethanol har to) og er, derfor, mere anvendelige og ønskværdige til industrielle anvendelser og produktion af råvarer. Katalysatoren undersøgt i dette arbejde er fordelagtig, fordi kobber- og zinkoxidbaserede katalysatorer allerede er udbredt i den kemiske industri og anvendes i katalytiske processer såsom methanolsyntese fra CO ₂ .

Forskerne har planlagt opfølgende undersøgelser ved Brookhaven's National Synchrotron Light Source II, også en DOE Office of Science brugerfacilitet, som tilbyder en unik suite af værktøjer og teknikker til karakterisering af katalysatorer under arbejdsforhold. der, de vil undersøge mere detaljeret Cu-Cs-ZnO-systemet og katalysatorer med en anden sammensætning.