Forskere viser, hvad der skal til for at få potentielt brændstofråvare til et reaktivt sted på modelkatalysatoren

I en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet "Nature Communications" har et internationalt hold af forskere ledet af forskere ved Münchens Tekniske Universitet (TUM) vist, hvordan man konstruerer en modelkatalysator til at give de reaktive "hot spots", der er nødvendige for effektivt at omdanne metan , hovedbestanddelen af ​​naturgas, til mere nyttige kemikalier eller flydende brændstoffer.

Metan er rigeligt og en billig energikilde, men det er også inert, hvilket betyder, at det er svært at bryde dets stærke kemiske bindinger fra hinanden for at omdanne det til andre molekyler. For at overvinde denne udfordring har forskere undersøgt brugen af ​​katalysatorer, materialer, der fremskynder kemiske reaktioner uden at blive forbrugt i processen.

Holdet på TUM, ledet af professor Johannes Lercher, brugte en kombination af eksperimentelle og beregningsmæssige teknikker til at studere, hvordan metan interagerer med en modelkatalysator lavet af rhodiumnanopartikler understøttet på en ceriumoxidoverflade. De fandt ud af, at nøglen til at aktivere metan på katalysatoren var at skabe specifikke "hot spots", hvor metanmolekylerne kunne komme i tæt kontakt med de aktive steder på katalysatoroverfladen og reagere.

Forskerne opnåede dette ved at kontrollere størrelsen og fordelingen af ​​rhodium-nanopartiklerne og ved at modificere overfladeegenskaberne af ceriumoxidbæreren. De fandt ud af, at ved at skabe et meget spredt arrangement af små rhodium-nanopartikler på ceriumoxid-overfladen og modificere katalysatorens elektroniske struktur, kunne de forbedre den katalytiske aktivitet for methanomdannelse betydeligt.

Undersøgelsen giver vigtig indsigt i design og optimering af katalysatorer til metanaktivering og -konvertering og kan få betydning for udviklingen af ​​mere effektive og miljøvenlige processer til udnyttelse af naturgas.

Metan tegner sig for omkring 10 % af det globale energiforbrug, og det bruges mest til opvarmning og elproduktion. Men metan kan også omdannes til en række værdifulde produkter, såsom brint, methanol og ethylen, som bruges til fremstilling af brændstoffer, plastik og andre kemikalier.

Udfordringen med at omdanne metan ligger i dens høje bindingsstyrke, som gør det svært at bryde molekylerne ad. Dette kræver høje temperaturer eller brug af katalysatorer, materialer, der fremskynder kemiske reaktioner uden at blive forbrugt i processen.

Teamet hos TUM fokuserede på at udvikle en katalysator, der kunne aktivere metan ved relativt lave temperaturer, hvilket ville gøre processen mere energieffektiv. De brugte en modelkatalysator sammensat af rhodiumnanopartikler understøttet på en ceriumoxidoverflade.

Ved omhyggeligt at kontrollere størrelsen og fordelingen af ​​rhodiumnanopartiklerne samt de elektroniske egenskaber af katalysatoroverfladen var forskerne i stand til at skabe specifikke "hot spots" på katalysatoren, hvor metanmolekyler kunne reagere effektivt.

Undersøgelsen viser vigtigheden af ​​præcist katalysatordesign og konstruktion for at frigøre metans fulde potentiale som et alsidigt råmateriale til produktion af brændstoffer og kemikalier.