Ikke-termisk plasma-promoveret CO2-hydrogenering i nærværelse af legeringskatalysatorer

Ikke-termisk plasma (NTP) bruges til at aktivere CO₂ molekyler til hydrogenering til alternative brændstoffer ved lave temperaturer, hvilket også muliggør konvertering af vedvarende elektricitet til kemisk energi. Forskere fra Tokyo Tech kombinerede eksperimentelle og beregningsmetoder for at undersøge hydrogeneringsvejen for NTP-promoveret CO₂ på overfladen af ​​Pd₂ Ga/SiO₂ katalysatorer. Den mekanistiske indsigt fra deres undersøgelse kan hjælpe med at forbedre effektiviteten af ​​katalytisk hydrogenering af CO₂ og giver ingeniørerne mulighed for at designe nye konceptkatalysatorer.

Klimaændringer accelereret af overskydende CO₂ emissioner har været en stor bekymring i de seneste år. For at håndtere dette problem, teknologier, der ikke kun kan reducere og fjerne overskydende CO₂ emissioner, men også omdanner dem til værdiskabende kemikalier, udvikles. En sådan metode er hydrogeneringen af ​​CO₂ bruge vedvarende brint til at producere alternative brændstoffer.

Gennem årene er der udviklet forskellige strategier for at forbedre CO₂ hydrogenering i nærvær af metalliske katalysatorer. Den mest lovende blandt dem er ikke-termisk plasma (NTP). Det fremmer hydrogenering af CO₂ ud over den termodynamiske grænse selv ved lave temperaturer uden at deaktivere metalliske katalysatorer, som er sårbare over for højere temperaturer. På trods af den stigende popularitet af denne teknik er interaktionerne mellem de NTP-aktiverede arter og metalliske katalysatorer stadig ikke godt forstået.

Et team af forskere fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, ledet af prof. Tomohiro Nozaki, udtænkte en undersøgelse for at overvinde denne mangel i forståelse. I deres nylige gennembrud, offentliggjort i Journal of the American Chemical Society , afslørede forskerne reaktionsdynamikken for NTP-assisteret CO₂ hydrogenering på overfladen af ​​Pd₂ Ga/SiO₂ legeringskatalysatorer, der fører til dannelsen af ​​formiat.

"Reaktionsmekanismer som Eley-Rideal eller E-R pathway er blevet foreslået for at forklare effektiv CO₂ omdannelse ved lavere temperaturer, og aktiveringsenergien for denne reaktion falder dramatisk. Desuden producerer NTP en rigelig mængde vibrationsaktiveret CO₂ som er nøglen til at forbedre CO₂ konvertering ud over den termiske ligevægt," forklarer Prof Nozaki.

Holdet undersøgte reaktionerne mellem NTP-aktiveret CO₂ og Pd₂ Ga/SiO₂ legeringskatalysatorer i en dielektrisk barriereudladningsreaktor med fluidiseret leje (figur 1 og videoer) og sammenlignede dem med konventionel termisk katalyse. Resultaterne viste, at CO₂ omdannelse til formiat var mere end to gange i tilfælde af NTP-assisteret hydrogenering sammenlignet med termisk omdannelse. For yderligere at fastslå mekanikken bag den nævnte konvertering, har forskerne vedtaget in situ spektroskopisk analyse og densitets funktionelle teori (DFT) beregninger.

The results revealed that the NTP activation gave rise to vibrationally excited CO₂ molecules that directly react with hydrogen atoms adsorbed by the Pd sites on the catalyst via the E-R pathway. One of the O atoms from the reacted species then got adsorbed at the neighboring Ga site resulting in the formation of monodentate-formate or m-HCOO. The DFT calculations also deduced a decomposition pathway for the same m-HCOO species.

This experimental-theoretical study showed that NTP can promote CO₂ hydrogenation to limits those conventional thermal methods can hardly reach. It also provided mechanistic insights into NTP activated CO₂ and catalyst interaction, which can be utilized to develop better catalysts and improve the hydrogenation process. "With our research, we wanted to accelerate the waste to wealth initiative. Capturing CO₂ and using it as feedstock for synthesis of fuels and valuable chemicals will not only help us deal with climate problem but also slow down fossil fuel depletion to some extent," concludes Prof. Nozaki. + Explore further

Caught in the act:Key chemical intermediates in pollutant-to-fuel reaction identified