Ny fotokatalysator til forbedring af dekarbonisering og andre kemiske reaktioner

Brugen af ​​drivhusgasser er en af ​​de mest populære retninger af den globale tendens til dekarbonisering - at reducere kulstofaftrykket fra produktion og menneskelige aktiviteter. I processen med at omdanne kuldioxid til metan er de vigtigste katalysatorer, der bruges i dag, guld, platin og palladium, som er dyre og komplekse.

En forskergruppe fra Skoltech, Boreskov Institute of Catalysis (Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences) og Tomsk Polytechnic University udførte et eksperiment og beviste, at en ny fotokatalysator baseret på WB_5-x -WB₂ wolframborid og TiO₂ titaniumdioxid kan konkurrere med ædelmetaller. Det øger effektiviteten af ​​kemiske reaktioner betydeligt og er meget billigere end de katalysatorer, der bruges i dag.

Resultaterne præsenteres i en ny undersøgelse i Applied Surface Science journal.

WB_5-x , wolframpentaborid, blev tidligere syntetiseret som et billigere alternativ til diamantskærere brugt på boreudstyr i olie- og gasindustrien.

Skoltech-professorerne Alexander Kvashnin fra Energy Transition Center og Artem R. Oganov, der leder Material Discovery Laboratory, og deres kolleger udnyttede en maskinalgoritme, der forudsagde stabiliteten af ​​WB5, og opnåede derefter prøver ved at sintre wolfram og bor i en 1-til -7 forhold ved temperaturer op til 1.500 grader Celsius og tryk op til 7 gigapascal.

Metoden til at syntetisere superhård wolframpentaborid blev efterfølgende forfinet i samarbejde med Tomsk Polytekniske Universitet, hvilket gjorde produktionen mere effektiv og økonomisk.

"Vi har identificeret egenskaber, der gjorde det muligt for os at antage, at wolframpentaborid ikke kun er lovende for olieproduktion, men også kan blive en god katalysator. Tidligere kendte vi kun til krystalstrukturen, stabilitetsinformationen og materialets mekaniske egenskaber.

"Vi har gjort en stor indsats for at forudsige adsorptionen og katalytiske egenskaber af wolframpentaborid gennem computermodellering og beregne reaktionsbarriererne. Derefter henvendte vi os til vores kolleger, som bekræftede resultaterne eksperimentelt," siger Aleksandra Radina, en undersøgelse, der er med- forfatter og en ph.d. studerende på Skoltechs Materials Science-program.

Forskere fra Tomsk Polytekniske Universitet syntetiserede et pulver af højere wolframborid ved hjælp af en tidligere udviklet teknologi, mens deres kolleger fra Boreskov Katalyseinstitut brugte det syntetiserede materiale som en cokatalysator til to reaktioner - omdannelse af kuldioxid til metan og fremstilling af brint fra en vandig opløsning af ethanol.

Ifølge resultaterne, WB_5-x -WB₂ wolframborid øgede effektiviteten af ​​den første reaktion med en faktor fire og den anden med en faktor på 23. Strukturelle analysemetoder såsom højopløsningstransmissionselektronmikroskopi, røntgendiffraktion, røntgenfotoelektronspektroskopi og andre har bekræftet den nye WB_5-x -WB₂ /TiO₂ katalysator er ansvarlig for øget reaktionseffektivitet. Undersøgelser ved hjælp af disse analytiske teknikker blev udført på Boreskov Katalyseinstitut i den sibiriske afdeling af det russiske videnskabsakademi.

"Simuleringsdataene viste, at det højere wolframborid skulle fungere som et aktivt katalysatormateriale til fremstilling af brint ud fra ethanol, og de eksperimentelle resultater bekræftede vores forudsigelser. Da vores materiale ikke tidligere er blevet betragtet som en katalysator, opstår spørgsmålet om screening af kemiske processer. , hvor det kunne vise sig at være en mere effektiv katalysator sammenlignet med traditionelle materialer," sagde professor Kvashnin fra Skoltechs Energy Transition Center, lederen af ​​undersøgelsen.

Som forfatterne påpeger, kan den nye fotokatalysator være effektiv ikke kun i de reaktioner, der er betragtet ovenfor. Det vigtigste er, at forskningen åbner en ny retning for anvendelse af materialer baseret på borider og karbider af overgangsmetaller, herunder højentropi.

I øjeblikket udforsker et team fra tre organisationer aktivt brugen af ​​nye materialer i forskellige katalytiske processer med applikationer inden for fotokatalyse, petrokemi og så videre.

Flere oplysninger: Anna Yu. Kurenkova et al., Photocatalytic H₂ generation og CO₂ reduktion med WB_5-x cokatalysator af TiO₂ katalysator, Anvendt overfladevidenskab (2024). DOI:10.1016/j.apsusc.2024.160095

Leveret af Skolkovo Institute of Science and Technology