Reaktionsindsigt hjælper med at lave bæredygtige flydende brændstoffer

Methanol, fremstillet af kuldioxid i luften, kan bruges til at lave kulstofneutrale brændstoffer. Men for at gøre dette skal mekanismen, hvorved methanol omdannes til flydende kulbrinter, forstås bedre, så den katalytiske proces kan optimeres. Nu har forskere fra ETH Zürich og Paul Scherrer Institute ved hjælp af sofistikerede analytiske teknikker opnået hidtil uset indsigt i denne komplekse mekanisme.

Mens vi kæmper for at jonglere med virkningen af ​​emissioner med vores ønske om at opretholde vores energihungrende livsstil, er det et spændende, kulstofneutralt alternativ at bruge kuldioxid i atmosfæren til at skabe nye brændstoffer. En måde at gøre dette på er at skabe methanol fra kuldioxid i luften ved hjælp af en proces kaldet hydrogenering. Denne methanol kan derefter omdannes til kulbrinter. Selvom disse derefter brændes og frigiver kuldioxid, balanceres dette af kuldioxid, der opsamles for at lave brændstoffet.

For fuldt ud at udvikle dette bæredygtige brændstof er det nødvendigt med en dybere forståelse af den mekanisme, hvorved methanol – i en reaktion katalyseret af zeolitter, faste materialer med unikke porøse arkitekturer – omdannes til langkædede kulbrinter. Med dette i tankerne gik forskere fra ETH Zürich inden for rammerne af NCCR Catalysis, et schweizisk nationalt forskningskompetencecenter, sammen med forskere fra Paul Scherrer Institut PSI for at afsløre detaljerne i denne reaktionsmekanisme, hvis resultater er offentliggjort. i tidsskriftet Nature Catalysis .

"Information er nøglen til at udvikle mere selektive og stabile katalysatorer," forklarer Javier Pérez-Ramírez, professor i katalyseteknik ved ETH Zürich og direktør for NCCR Catalysis, som var med til at lede undersøgelsen. "Før vores undersøgelse, trods mange anstrengelser, var nøglemekanistiske aspekter af den komplekse omdannelse af methanol til kulbrinter ikke godt forstået."

Forskerne var interesserede i at sammenligne methanol- og kulbrinteprocessen med en anden proces:den at omdanne methylchlorid til kulbrinter. Olieraffinaderier forbrænder ofte store mængder uønsket metanrig naturgas. Denne forurenende og spildende aktivitet resulterer i de typiske udbrud i forbindelse med olieraffinaderier. "At omdanne methylchlorid til kulbrinter er en slags broteknologi," forklarer Pérez-Ramírez. "Selvfølgelig vil vi gerne væk fra fossile brændstoffer, men i mellemtiden ville dette være en måde at undgå at spilde de enorme reserver af værdifuld metan på."

Flugtige gasfasemolekyler fortæller historien

Nøglen til at forstå komplekse reaktionsmekanismer som disse er at detektere de forskellige involverede arter, herunder mellemprodukterne. Traditionelle teknikker ser direkte på katalysatorens overflade for at forstå reaktionen, men en vigtig del af historien fortælles af gasfasemolekyler, som kommer ud af katalysatoren.

"Disse molekyler er ofte meget reaktive og har meget kort levetid og nedbrydes inden for få millisekunder. Dette gør at identificere dem til en reel udfordring, da traditionelle gasfaseanalysemetoder simpelthen er for langsomme," forklarer Patrick Hemberger, videnskabsmand ved vakuum ultraviolet (VUV) ) beamline af den schweiziske lyskilde SLS, hvis sofistikerede analytiske teknikker ville gøre det muligt for forskerne at studere reaktionen, mens den skete.

Ved VUV-strålelinjen er Photoion Photoelectron Coincidence (PEPICO) spektroskopi for nylig blevet etableret som et kraftfuldt analytisk værktøj i katalytiske reaktioner. Den kombinerer to forskellige analytiske teknikker, fotoelektronspektroskopi og massespektrometri, for at give detaljerede oplysninger om gasfasereaktionsmellemprodukterne, hvilket endda muliggør differentiering mellem isomerer.

"Fordi vi samtidig indsamler to forskellige typer information, kan vi hurtigt identificere disse flygtige arter selv i en blanding, der indeholder op til hundrede reaktionsmellemprodukter og produkter. Dette giver os en hidtil uset indsigt, som simpelthen ikke er mulig med konventionelle metoder," Hemberger siger.

Reaktionsveje afsløret

Spektroskopien gjorde det muligt for forskerne at afsløre, hvordan kulstof-carbon-bindingerne dannes, og kulbrintekæden vokser ved at detektere adskillige mellemprodukter. For de to processer - methanol til carbonhydrid og methylchlorid til carbonhydrid - observerede forskerne, at forskellige reaktionsmellemprodukter fandt sted. Ud fra dette kunne de identificere to adskilte reaktionsveje, en drevet af methylradikaler, der er til stede i begge reaktioner, og en anden drevet af oxygenerede arter, såkaldte ketener, som kun forekom i methanol-til-carbonhydrid-reaktionen.

Forskerne var også i stand til at forstå et interessant træk ved reaktionerne:Efter flere dage blev katalysatoren deaktiveret, og reaktionen stoppede. Dette var på grund af opbygningen af ​​et uønsket biprodukt - koks, som er lavet af store aromatiske kulbrinter aflejret under reaktionen.

Ved hjælp af en anden spektroskopisk teknik, elektronparamagnetisk resonansspektroskopi, så forskerne, at methylchlorid til kulbrinteproduktion var meget mere tilbøjelig til koksdannelse end produktion fra methanol. Bevæbnet med viden om reaktionsvejene var årsagen til denne forskel klar:"Methanol-til-carbonhydrid-vejen fortsætter ad to reaktionsveje, mens methylchlorid-til-carbonhydrid-vejen kun kan tage den mere reaktive methylradikal-vej, som er mere tilbøjelig til at danner koks," forklarer Gunnar Jeschke, hvis team ved ETH Zürich udførte elektronparamagnetisk resonansspektroskopi.

Forståelse af mekanismen til at optimere processen

Den indsigt, som denne undersøgelse opnår, er afgørende for den fremtidige udvikling af flydende brændstoffer på en bæredygtig måde. Dette kunne omfatte at finde måder at forbedre den oxygendrevne vej og dermed undertrykke dannelsen af ​​koks.

"Vi har nu en dybere forståelse af reaktionsmekanismen af ​​methanol til kulbrinter eller methylchlorid til kulbrinter, og med denne viden kan vi optimere den industrielle proces på en målrettet måde for at gøre den mere effektiv," tilføjer Hemberger. + Udforsk yderligere

Forskere afslører oxygenat-baserede ruter i syngas-omdannelse over oxid-zeolit ​​bifunktionelle katalysatorer