Fordele og ulemper ved oxygen, der formidler ydeevnen af ​​nikkelkatalysatorer ved tørreformering af metan

Katalyse er en af ​​nøgleteknologierne i den kemiske industri og har en vidtrækkende indflydelse på forskellige aspekter af vores daglige liv, herunder plastfremstilling, lægemiddelsyntese og produktion af både gødning og brændstoffer. Det anslås, at over 90 % af de kemiske produkter i dag fremstilles med involvering af katalyse i mindst ét ​​trin. Katalyse er en kompleks proces, der er afhængig af den præcise strukturelle kontrol af flere elementer i krydsfeltet mellem fase(in-)stabiliteter.

Mens langtidsstabile katalysatorer er uundværlige for at fremme højtydende og effektive reaktioner, undergår reaktanter store kemiske ændringer, hvilket fører til dannelsen af ​​endelige og ønskede produkter. I heterogen katalyse eksisterer katalysator og reaktanter i forskellige faser.

Blandt de forskellige heterogene katalytiske processer er tørreformering af metan (DRM) for nylig blevet genstand for akademisk opmærksomhed, da det omdanner to drivhusgasser, metan (CH₄ ) og kuldioxid (CO₂ ), til hydrogen (H₂ ) og carbonmonoxid (CO). Denne blanding er også kendt som syngas og kan bruges til at reducere afhængigheden af ​​fossile brændstoffer ved fortløbende at opbygge større kulbrinter via Fischer-Tropsch-kemien.

Selvom nikkel- og koboltbaserede katalysatorer, som er billige og meget tilgængelige på Jorden, har vist lovende aktivitet for DRM, er det ofte udfordrende at designe højtydende katalysatorer, da sammenhængen mellem kemisk dynamik, dannelsen af ​​de aktive overfladearter og deres reaktionsveje mangler generelt. Denne viden kan kun opnås fra såkaldte operando-eksperimenter, hvor struktur og funktion undersøges samtidigt.

Et samarbejde mellem forskere fra afdelingerne for uorganisk kemi og teori ved Fritz Haber-instituttet i Max Planck Society i Berlin har givet grundlæggende indsigt i de processer, der forekommer på katalysatoroverfladen, og hvordan dette modulerer den katalytiske ydeevne under DRM.

Studiet er publiceret i tidsskriftet Nature Catalysis .

Især studerede holdet rollen af ​​forskellige oxygenarter på en nikkelkatalysator under DRM ved at bruge en kombination af eksperimentelle og beregningstekniske videnskabsteknikker, herunder operando scanning elektronmikroskopi, røntgenfotoelektronspektroskopi nær omgivende tryk og computersyn.

De fremhævede den kritiske rolle af dissociativ CO₂ adsorption ved regulering af iltindholdet i katalysatoren og CH₄ aktivering. Desuden opdagede de tilstedeværelsen af ​​tre metastabile oxygenarter ved katalysatoren:atomær overflade oxygen, underjordisk oxygen og bulk NiO_x . Interessant nok udviste disse forskellige katalytiske egenskaber, og deres samspil og transformation gav anledning til oscillationer i overfladetilstandene og i den katalytiske funktion.

De observerede, at noget af overfladeilten lækkede ind i katalysatormassen, hvilket reducerede tilgængeligheden af ​​katalysatoren for CH₄ aktivering og favorisering af CO₂ og O-diffusion i stedet.

Omfanget af lækagen blev yderligere bevist ved røntgenspektroskopi og transmissionselektronmikroskopi, der afslørede tilstedeværelsen af ​​ilt flere nanometer under overfladen af ​​katalysatorerne. Som følge heraf blev nye metalliske steder blotlagt, hvilket førte til en øget iltoptagelseshastighed og et fald i H₂ /CO-produktforhold.

Til sidst forstod de, at samtidig fodring af CO₂ er afgørende for CH₄ omdannelse, hvilket sandsynligvis hjælper dens aktivering sammen med tilstedeværelsen af ​​oxygenerede arter.

"Det var imponerende at se, hvordan metastabiliteten af ​​Ni-O-systemet selv justerer den katalytiske ydeevne, og at ét element fra reaktanterne kan styre hele processen, som afhænger af dens placering og dens kemi. Vi håber, at vores resultater kan give nyt momentum i justering af levetid og selektivitet i katalyse," siger PD Dr. Thomas Lunkenbein, leder af projektet og medforfatter af undersøgelsen.

At forstå metastabiliteten af ​​katalysatorernes overflader, sammen med hvordan man kontrollerer dem for at stabilisere den dynamiske aktive tilstand, har vigtige konsekvenser for fremtiden for katalyse. Især giver det indsigt, der kan overføres til det industrielle niveau og design af reaktorer, hvor en aktiv tilstand med minimale energimæssige kompromiser foretrækkes.

Dette kunne opnås enten ved at bruge mere potente oxidanter, såsom vand (H₂ O) og dinitrogenoxid (N₂ O), eller ved at arbejde på at reducere iltlækagen ind i bulken ved hjælp af nanopartikler eller tyndfilmsteknologi. Udviklingen af ​​katalysatorer baseret på skræddersyede tynde film er i fokus for CatLab, en fælles forskningsplatform mellem FHI, Helmholtz Center i Berlin (HZB).

Flere oplysninger: Luis Sandoval-Diaz et al., Metastabile nikkel-oxygenarter modulerer hastighedsoscillationer under tørreformering af metan, Naturkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01090-4

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af Max Planck Society