Jernkemi giver overraskende effektiv katalysator

Som ethvert skrotpladskøretøj rigeligt viser, jern er tilbøjeligt til at ruste til jernoxid. Men netop denne reaktivitet gør også jern og dets forbindelser til nyttige værktøjer til at genopfinde kemiske transformationer.

Rigelig jernoxid udnyttet til at hjælpe metaller med at omdanne kuldioxid til nyttige produkter vil samtidig reducere emissioner og tilføje værdi til affaldsstrømme.

Nuværende metoder til fremstilling af metaloxid-katalysatorer, arbejdshestene til kemiske transformationer, kræver høje temperaturer og tryk. Det er derfor, kemikere på PNNL er opmuntret af resultaterne af deres nye undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation .

Forskningen beskriver en ny teknik, der producerer jernoxid-coatede metalnanopartikler understøttet af fast jernoxid, i ét trin, ved nær stuetemperatur. Disse materialer udviser høj aktivitet for omdannelse af kuldioxid til kulilte, en af ​​komponenterne i en vigtig brændstof- og kemisk kilde kaldet syngas.

Omvendte katalysatorer som en næste generations tilgang til energiomdannelse

Den nye teknik vender op og ned på den traditionelle tilgang til kemisk omdannelse. Mens de fleste industrielle katalysatorer kun bruger oxidet som en støttestruktur, disse jernoxid-baserede nanopartikelkatalysatorer er vendt eller "omvendt". Ud over at yde støtte, det reaktive jern frigives fra overfladen under syntesen og aflejres tilbage på det faste stof, danner en belægning på metalnanopartiklerne.

Omvendte katalysatorer bruges ikke kommercielt, fordi de normalt er svære at fremstille og producere i store mængder. Hvis de tekniske forhindringer kunne overvindes, hvilket blev vist muligt i denne undersøgelse, omvendte katalysatorer ville være fremragende værktøjer til at omdanne affaldskuldioxid til kemiske råmaterialer - de råmaterialer, der bruges i mange andre industrielle processer.

"Vores resultater viser, at disse omvendte katalysatorer har overbevisende katalytisk reaktivitet under milde reaktionsbetingelser på grund af jernoxidbelægningen, " sagde Oliver Gutiérrez, en PNNL-kemiker, der var med til at lede forskningsprojektet. "Teknikken er alsidig og let skalerbar."

"Vi ønsker at tilføje værdi til kuldioxid for at undgå at dumpe det i atmosfæren, " tilføjede han. "Hvis den skaleres til industri, dette kunne være gældende for enhver virksomhed med kuldioxidaffald."

Nanopartikler dekorerer overfladen af ​​den nye katalysator

Den nye fremstillingsmetode udnytter jernoxidets iboende reaktivitet til at bibringe nogle vigtige nye egenskaber til metalnanopartiklerne på metaloxidunderstøtningen.

"Vi observerede jernioner, der cirkulerede fra støttejernoxid, til vandopløsningen, at vende tilbage til det faste stof på nanopartikeloverfladen under vores syntese, " sagde Gutiérrez. "Det er nyt. Jernoxidbelægningen er meget reaktiv sammen med metaloverfladen, øger i høj grad det tilgængelige areal til den katalytiske reaktion."

Jernkemi efterligner, hvad der ses i Jorden

Fundet belyser også de naturlige processer, der kredser jern, det fjerde mest udbredte grundstof i jordskorpen, over tid.

"Jernmineral-vand-grænsefladen er vigtig i undergrundsvidenskab, " sagde Kevin Rosso, en geokemiker og laboratoriestipendiat ved PNNL, som også bidrog til arbejdet. "De to store oxidationstilstande af jern kombineres for at danne en dynamisk grænseflade, og dette spiller en stor rolle i begge indstillinger. Det, vi opdagede her i forbindelse med katalyse, kan også hjælpe os med at forstå geokemisk metaltransport i undergrunden."

Syngas potentiale

Når katalysatoren var klargjort, forskerne udførte eksperimenter, der viste, at den omvendte katalysator effektivt kunne omdanne kuldioxid til kulilte, en komponent af syngas - et alsidigt råmateriale til den kemiske industri.

"Med oxidbelægningen, vi fik hele overfladen af ​​den jernbaserede nanopartikel til at opføre sig som en grænseflade, " sagde Gutiérrez. "Det gjorde det muligt for vores system at opnå en forbedring af en størrelsesorden i selektiv kemisk omdannelse til kulilte i forhold til nanopartikelkatalysatorer udelukkende baseret på ædelmetaller."

Nu ser holdet på at tune metalnanopartiklerne til forskellige reaktioner og for bedre at forstå kemien ved denne reaktionsgrænseflade.