Ingeniører viser, hvordan wolframoxid kan bruges som katalysator i bæredygtige kemiske omdannelser

Ingeniører er afhængige af katalysatorer til en bred vifte af applikationer fra fødevarefremstilling til kemisk produktion, så at finde effektive, miljøvenlige katalysatorer er en vigtig forskningsvej.

Ny forskning ledet af University of Pittsburgh Swanson School of Engineering kan føre til skabelsen af ​​nye, bæredygtige katalysatorer baseret på wolframoxid og lignende forbindelser.

Projektet brugte beregningssimuleringer til at forstå, hvordan wolframoxid interagerer med brint på molekylært niveau, og resultaterne blev verificeret gennem laboratorieforsøg.

Et papir, der beskriver resultaterne, blev for nylig vist på forsiden af ​​Journal of the American Chemical Society (JACS ) og blev ledet af et hold fra Institut for Kemi- og Petroleumsteknik:Ph.D. Kandidat Evan V. Miu, adjunkt James McKone og lektor og bicentennial Alumni Faculty Fellow Giannis Mpourmpakis.

"Wolframoxid er en katalysator, der kan bruges til at accelerere bæredygtige kemiske omdannelser ved at bruge sollys eller vedvarende elektricitet. Denne kemiske forbindelse har en unik måde at interagere med brintatomer på, som gør den særlig god til at deltage i kemiske reaktioner, hvor brint skal produceres eller brugt," sagde Mpourmpakis.

"De typer af kemiske reaktioner, som vi er mest begejstrede for, omfatter brugen af ​​brint til at tage kuldioxid - den primære synder i global opvarmning - og omdanne det til nyttige brændstoffer og kemikalier," tilføjede McKone.

Mens de fleste katalysatorer kun interagerer med molekyler som brint på deres overflade, kan wolframoxid også indsætte brint i dets tredimensionelle krystalgitter. Forskernes avancerede modellering var i stand til at vise, at denne proces har en enorm indflydelse på, hvad der faktisk sker på overfladen af ​​katalysatoren.

Arbejdet åbner muligheden for at designe en helt ny familie af katalysatorer baseret på wolframoxid og lignende forbindelser ved at bruge holdets beregningsmæssige tilgang til at forudsige deres katalytiske egenskaber.

"Det er ikke en overdrivelse at sige, at vi kan trække en lige linje mellem den subtile videnskab, der er indeholdt i denne undersøgelse og muligheden for at genopfinde et stort stykke kemisk fremstilling for at gøre det mere miljømæssigt bæredygtigt," sagde McKone. "Vi kan designe katalysatorer til at levere brint på den helt rigtige måde for at lave kemiske omdannelser, der kører på vand og elektricitet lige så effektivt som det, vi gør i dag ved hjælp af fossile brændstoffer."

Dette projekt var et samarbejde mellem Mpourmpakis' CANELa Lab og McKone Lab, hvor hovedforfatteren Miu er en NSF-kandidatstipendiat, der arbejder på at bygge bro mellem termisk og elektrisk katalyse ved at anvende både eksperimentelle og beregningsmetoder.

"At arbejde med professorerne Mpourmpakis og McKone har givet mig en utrolig mulighed for at operere i grænsefladen mellem teori og eksperimenter," sagde Miu. "Disse komplementære perspektiver hjalp os med at forstå, hvordan metaloxidbronzer katalyserer brint, og vi er glade for at anvende vores resultater og tage meningsfulde skridt hen imod mere bæredygtige kemiske processer." + Udforsk yderligere

Ny måde at øge katalysatoraktiviteten