Uventet adfærd set i effektive katalysatorer til ren energi

Forskere fra Weizmann Institute of Science og US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har undersøgt dynamikken på molekylært niveau, når methanol omdannes til brint ved hjælp af en kobberkatalysator, med hele systemet under omgivende tryk og temperatur. . Denne undersøgelse, som gav nogle overraskende oplysninger om methanolens opførsel på forskellige kobberoverflader, vil hjælpe forskere med at finde den bedst ydende kobberkatalysator til denne proces og mere generelt fremme deres forståelse af kobberkatalysatorer som en gruppe.

Methanol (en forbindelse af brint, kulstof og oxygen) er et alsidigt materiale i energiindustrien. Det kan bruges som selve brændstof eller, som i denne forskning, til at producere et andet brændstof:brint. Methanol er en førende kandidat inden for brintlagringsteknologier, især i bilbrændselscelleapplikationer. En væske ved stuetemperatur, den er nem at arbejde med og kompatibel med den eksisterende benzininfrastruktur. Det rummer også en relativt stor mængde brint i volumen. Men for effektivt at producere brint kræver methanol hjælp fra en katalysator samt en relativt høj temperatur.

I denne undersøgelse, beskrevet i den 14. juni 2022, onlineudgave af ACS Catalysis , forskerne fra Weizmann og Brookhaven undersøgte et methanol/kobber-system - methanoldamp bundet eller "adsorberet" på en overflade af kobber - som ikke krævede en høj temperatur. De fokuserede på "methanol-nedbrydning", den enkleste af de fire reaktioner, der kan producere brint fra methanol. Blandt de mulige katalysatorer for reaktionen anses de baseret på kobber (Cu) som de mest lovende. Dette skyldes flere faktorer, herunder dens gunstige elektroniske struktur for katalytisk aktivitet og relativt lave omkostninger og miljøsikkerhed sammenlignet med andre metaller. For bedre at forstå Cus rolle er det vigtigt, at forskerne får en grundig forståelse på molekylært niveau af samspillet mellem methanoldamp og Cu-overflader.

Forskere fra Weizmann og Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven, kiggede på tre Cu-overflader for at lære, hvordan methanolen klæbede til dem, og hvordan den opførte sig. Disse tre overfladegeometrier undersøges almindeligvis som katalysatorer på grund af den måde, Cu-atomerne er arrangeret på, hvilket gør dem mere tilgængelige til elektronisk at interagere med andre forbindelser. Gruppen fandt ud af, at methanolen virker på uventede måder på alle tre overflader.

"Tendensen, vi så på tværs af alle tre overflader, var, at meget methanol først adsorberedes, og derefter brød fra hinanden i forskellige komponenter, der desorberede. Efter nogen tid nåede methanoldækningen et ligevægtspunkt," siger Ashley Head, en forsker i Interface Sciences/Catalysis gruppe ved CFN og en af ​​papirets forfattere. "Vi havde ikke set denne adfærd før og forventede det ikke."

For at studere dynamikken i dette brugte gruppen både infrarøde (IR) og røntgenspektroskopiteknikker, sidstnævnte udført på CFN.

IR-arbejdet, udført hos Weizmann, gav information om, hvilke kemiske arter af methanol, der blev dannet på Cu-overfladen ved at måle, hvordan molekylerne vibrerer. De specifikke vibrationer kan knyttes til specifikke forbindelser.

IR-dataene indikerede, at methanolen adsorberedes kraftigt på kobberet og dannede en direkte binding med Cu, hvilket dannede en kemisk komponent kendt som methoxy. Methoxydækningen faldt derefter gradvist. Denne adfærd blev set på tværs af alle tre overflader, med mindre afvigelser.

"Denne dynamik stemmer ikke overens med, hvad veletablerede modeller af dette system fortæller os, at vi bør se," sagde Baran Eren, en forsker ved Institut for Kemisk og Biologisk Fysik ved Weizmann og papirets tilsvarende forfatter. "I stedet følger udviklingen af ​​methoxydækningen med tiden en ekstraordinær adsorptionskinetikmodel."

Han fortsatte:"Vi foreslår, at en kortvarig form for methanol bundet til hydrogen er kilden til det indledende tætte methoxylag."

Informationen fra IR-dataene blev bekræftet på CFN, hvor gruppen brugte røntgenfotoelektronspektroskopi (APXPS). I denne teknik aktiverer røntgenstråler elektroner i en prøve, hvilket får dem til at bryde fri. Disse udstødte elektroner bærer værdifuld information. I dette tilfælde gav de yderligere indsigt i methanolens adfærd på Cu-overfladen og de omgivende forhold i realtid. APXPS giver forskere mulighed for lettere at beregne molekyledækninger på overflader end IR-spektroskopi.

Som tiden gik, blev det overskydende methoxy elimineret, da mere og mere brint blev produceret, hvilket efterlod kulilte, der de-adsorberede fra kobberet som en gas. Den methoxy, der var tilbage, nåede et punkt med jævn dækning - et ligevægtspunkt. Især var kinetikken i denne proces betydeligt hurtigere på den mere løst pakkede Cu-overflade sammenlignet med de to andre, som er mere tætpakket.

I det fremtidige arbejde planlægger gruppen at fortsætte med at studere methanol/Cu-systemer for at lære mere om deres dynamik og om nogle af disse adfærd kan findes i andre systemer end methanol på Cu. + Udforsk yderligere

Fanget på fersk gerning:Nøglekemiske mellemprodukter i forurening-til-brændstof-reaktionen identificeret