Ny katalysator genanvender drivhusgasser til brændstof og brintgas

Forskere har taget et stort skridt hen imod en cirkulær kulstoføkonomi ved at udvikle en langvarig, økonomisk katalysator, der genanvender drivhusgasser til ingredienser, der kan bruges i brændstof, brintgas, og andre kemikalier. Resultaterne kan være revolutionerende i bestræbelserne på at vende den globale opvarmning, ifølge forskerne. Undersøgelsen blev offentliggjort den 14. februar i Videnskab .

"Vi satte os for at udvikle en effektiv katalysator, der kan omdanne store mængder af drivhusgasserne kuldioxid og metan uden fejl, " sagde Cafer T. Yavuz, papirforfatter og lektor i kemisk og biomolekylær teknik og i kemi ved KAIST.

Katalysatoren, lavet af billigt og rigeligt nikkel, magnesium, og molybdæn, initierer og fremskynder reaktionshastigheden, der omdanner kuldioxid og metan til brintgas. Det kan fungere effektivt i mere end en måned.

Denne konvertering kaldes "tør reformering, "hvor skadelige gasser, såsom kuldioxid, behandles til at producere mere nyttige kemikalier, der kunne raffineres til brug i brændstof, plastik, eller endda lægemidler. Det er en effektiv proces, men det krævede tidligere sjældne og dyre metaller som platin og rhodium for at fremkalde en kort og ineffektiv kemisk reaktion.

Andre forskere havde tidligere foreslået nikkel som en mere økonomisk løsning, men kulstofbiprodukter ville opbygges, og overfladens nanopartikler ville binde sig sammen på det billigere metal, fundamentalt ændre katalysatorens sammensætning og geometri og gøre den ubrugelig.

"Vanskeligheden opstår som følge af manglen på kontrol på snesevis af aktive steder over de voluminøse katalysatoroverflader, fordi enhver forsøg på forfiningsprocedurer også ændrer karakteren af ​​selve katalysatoren, " sagde Yavuz.

Forskerne producerede nikkel-molybdæn nanopartikler under et reduktivt miljø i nærværelse af et enkelt krystallinsk magnesiumoxid. Da ingredienserne blev opvarmet under reaktiv gas, nanopartiklerne bevægede sig på den uberørte krystaloverflade og søgte forankringspunkter. Den resulterende aktiverede katalysator forseglede sine egne højenergiaktive steder og fikserede permanent placeringen af ​​nanopartiklerne - hvilket betyder, at den nikkelbaserede katalysator ikke vil have en kulstofopbygning, overfladepartiklerne vil heller ikke binde sig til hinanden.

"Det tog os næsten et år at forstå den underliggende mekanisme, " sagde den første forfatter Youngdong Song, en kandidatstuderende ved Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik på KAIST. "Når vi studerede alle de kemiske hændelser i detaljer, vi var chokerede."

Forskerne døbte katalysatoren Nanocatalysts on Single Crystal Edges (NOSCE). Magnesiumoxid-nanopulveret kommer fra en fint struktureret form for magnesiumoxid, hvor molekylerne binder sig kontinuerligt til kanten. Der er ingen brud eller defekter i overfladen, giver mulighed for ensartede og forudsigelige reaktioner.

"Vores undersøgelse løser en række udfordringer, som katalysatorsamfundet står over for, " sagde Yavuz. "Vi tror på, at NOSCE-mekanismen vil forbedre andre ineffektive katalytiske reaktioner og give endnu flere besparelser på drivhusgasemissioner."