Ny katalysator øger radikalt omdannelseshastigheden af ​​kuldioxid til solbrændstoffer

Kuldioxid eller CO₂ potentielt kan bruges som råmateriale, der skal omdannes til kulstofneutrale "solbrændstoffer", der lagrer energi fra solen. Men for at de kan være konkurrencedygtige med fossile brændstoffer, kræver den kemiske reaktion, der udfører denne omdannelse, meget mere effektive katalysatorer. Forskere er for nylig kommet op med en fotokatalysatorstruktur, der involverer isolerede enkelte kobberatomer i en polymerramme, der radikalt forbedrer katalysatorens ydeevne.

En beskrivelse af den nye katalysator blev offentliggjort i tidsskriftet Nano Research .

Der er en række sektorer, såsom langdistanceskibsfart og luftfart, som er svære at elektrificere, og så i kampen for at afbøde klimaændringerne, skal der udvikles en form for CO2-neutralt brændstof. I mellemtiden kan solenergi være kulstoffattig, men er vejrafhængig. Nogle gange bliver der ikke produceret nok strøm og andre gange for meget.

En elegant løsning, der kunne afhjælpe begge problemer, er omdannelsen af ​​solenergi til syntetiske brændstoffer. Ved at trække ned atmosfærisk CO₂ og ved at bruge det som råmateriale kombineret med brint fremstillet ved spaltning af vandmolekyler, kan kulstofneutrale versioner af kulbrinter fremstilles på en fabrik. Dette gemmer i realiteten solenergi til senere brug, når solen ikke skinner, eller som et rent brændstof, der virker i svære at elektrificere sektorer (og videre).

En af de store udfordringer, som denne sol-til-brændstof-vision står over for, der efterligner, hvordan planter omdanner sollys til energi, er at øge effektiviteten af ​​de involverede kemiske reaktioner nok til at gøre slutproduktets omkostninger konkurrencedygtige med beskidte fossile brændstoffer.

Nøglen til at opnå sådanne effektivitetsgevinster er at producere bedre katalysatorer, stoffer, der fremskynder den kemiske reaktion. Hovedformålet har været at maksimere koncentrationen af ​​steder på katalysatormolekyler, hvor en reaktion kan finde sted for at forbedre effektiviteten og samtidig reducere spild.

I det sidste årti eller deromkring har katalysatorforskningssamfundet i stigende grad rettet sin opmærksomhed mod enkeltatom-katalysatorer (SAC'er) med det formål at give et stort løft til alle mulige industrielle processer, ikke kun den fotokatalyse, der kræves af sol-til-brændstof. . SAC'er er katalysatorer, hvor alle de metalatomer, der er involveret i reaktionen, eksisterer som isolerede enkeltatomer spredt på en fast bærende ramme. Disse enkelte metalatomer er også typisk positivt ladede. Som et resultat af denne usædvanlige geometriske og elektroniske struktur kan SAC'er radikalt forbedre katalyseeffektiviteten.

Området for SAC-forskning og -udvikling er eksploderet i de seneste år, hovedsagelig på grund af ankomsten af ​​avancerede billeddannelses- og røntgenspektroskopiske metoder. Disse har gjort det muligt for kemikere at producere meget detaljerede billeder af SAC'er i aktion - selv når reaktionen finder sted, hvilket giver dem mulighed for bedre at forstå, hvad der sker, og teste nye hypoteser. Sideløbende med dette har moderne teknikker til kemisk syntese tilladt konstruktion af meget fint skræddersyede SAC'er passende til en ønsket proces.

"Mange forskellige SAC'er til andre kemiske reaktioner er blevet udviklet i de senere år, hvilket har leveret en revolution inden for katalytisk ydeevne," sagde Jiangwei Zhang, medforfatter til papiret og en kemisk fysiker ved Advanced Chemical Engineering and Energy Materials Research Center ved China University of Petroleum i Qingdao, "og nu var det turen til fotokatalysatorer til produktion af solbrændstof."

Forskerne konstruerede en SAC med en kovalent triazin-baseret rammestruktur (CTF), der forankrer enkelte kobberatomer. CTF'er er en relativt ny klasse af polymerer (strenge af meget store molekyler), som allerede havde vist sig at øge fotokatalytisk vandspaltningsydelse. Ved at kombinere CTF'er med enkelte kobberatomer sigtede kemikerne på at levere en meget porøs struktur (for at øge antallet af tilgængelige steder, hvor den relevante kemiske reaktion kan finde sted) og levere maksimal atomær effektivitet. De kalder denne formulering Cu-SA/CTF.

De var i stand til at visualisere de enkelte Cu-atomer ved højvinklede ringformede mørkefeltsscanningstransmissionselektronmikroskopibilleder (HAADF-STEM). Og strukturen af ​​steder, hvor reaktioner finder sted, blev afsløret ved udvidet røntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) analyser.

Med denne information var forskerne så i stand til at teste Cu-SA/CTF-fotokatalysatorernes ydeevne og undersøge, hvad der skete på atomniveau. De fandt ud af, at tilføjelsen af ​​de enkelte kobberatomer til strukturen havde givet katalysatorerne en øget evne til at adsorbere CO₂ (stik CO₂ til sig selv for at udføre den kemiske reaktion), og styrkede responsen på det synlige lys, der driver processen, samt leverede en række andre forbedringer. Tilsammen arbejdede dette på at forbedre omdannelsen af ​​CO₂ markant og vand til metanbrændstof.

Som et resultat var forskerne i stand til at udvikle retningslinjer for design på atomær skala af andre robuste fotokatalysatorer til omdannelse af CO₂ til andre nyttige stoffer. + Udforsk yderligere

Kobber-sølv-guld nanostruktur giver kulstoffangning og -udnyttelse et boost