Nanopartikelkatalysatorer omdanner carbondioxid til carbonmonoxid for at fremstille nyttige forbindelser

Som drivhusgas er kuldioxid (CO₂ ) bidrager til klimaændringer, da de ophobes i atmosfæren. En måde at reducere mængden af ​​uønsket CO₂ i atmosfæren er at omdanne gassen til et nyttigt kulstofprodukt, der kan bruges til at generere værdifulde forbindelser.

En nylig undersøgelse vedhæftede nanopartikler af beta-fase molybdæncarbid (β-Mo₂ C) katalysatorer på en siliciumdioxid (SiO₂). ) støtte til at fremskynde konverteringen af ​​CO₂ til mere nyttig carbonmonoxid (CO) gas.

CO₂ er et meget stabilt molekyle, som gør omdannelse af drivhusgassen til andre molekyler udfordrende. Katalysatorer kan bruges i kemiske reaktioner for at sænke mængden af ​​energi, der kræves for at danne eller bryde kemiske bindinger og bruges i den omvendte vandgasskifte-reaktion (RWGS) til at omdanne CO₂ og hydrogengas (H₂ ) til CO og vand (H₂ O).

Det er vigtigt, at CO-gassen produceret ved reaktionen kaldes syngas eller syntesegas, når den kombineres med H₂ og kan bruges som kulstofkilde til at skabe andre vigtige forbindelser.

Traditionelle katalysatorer i RWGS-reaktionen er lavet af ædle metaller, herunder platin (Pt), palladium (Pd) og guld (Au), hvilket begrænser omkostningseffektiviteten af ​​reaktionen. På grund af dette udvikles nye katalysatormaterialer og dannelsesmetoder for at øge den praktiske anvendelighed af RWGS-reaktionen som et middel til at sænke atmosfærisk CO₂ og generere syngas.

For at løse omkostningsproblemerne ved traditionelle RWGS-katalysatorer undersøgte et team af forskere fra University of Illinois i Urbana-Champaign dannelsen og den katalytiske aktivitet af billigere nanopartikel β-Mo₂ C-katalysatorer på en SiO₂ støtte til at bestemme, om den billigere katalysator kunne øge aktivitetsniveauet for β-Mo₂ C med en silicaoxidbærer i RWGS-reaktionen.

Holdet offentliggjorde deres undersøgelse i Carbon Future den 30. april.

"Samfundet bevæger sig i retning af en kulstofneutral økonomi. Kuldioxid er en drivhusgas, så enhver teknologi, der kan nedbryde kuloxidbindingen i dette molekyle og omdanne kulstof til et kemikalie med værditilvækst, kunne være af stor interesse.

"Et vigtigt C1-kemikalie er kulilte, som er et vigtigt råmateriale til at producere en række produkter, såsom syntetiske brændstoffer og vitamin A," sagde Hong Yang, Alkire-lederprofessor ved Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik ved University of Illinois hos Urbana-Champaign og seniorforfatter af papiret.

Specifikt syntetiserede forskerne β-Mo₂ C nanopartikelkatalysatorer absorberet på en SiO₂ understøttelse (β-Mo₂ C/SiO₂ ). Den amorfe struktur af SiO₂ støtte var afgørende for nanopartikeldannelse, aktivitet og stabilitet af β-Mo₂ C/SiO₂ katalysator.

Holdet testede desuden cæsium (Ce), magnesium (Mg), titanium (Ti) og aluminium (Al) oxider som potentielle understøtninger, men katalysator på SiO₂ produceret den bedste katalysatordannelse ved en temperatur på 650°C.

"Det ser ud til, at den uordnede natur af amorf silica, der opfører sig som lim til katalysator-nanopartikler, er en nøglefaktor for vores succes med at opnå høj metalbelastning og den tilsvarende høje aktivitet," siger Siying Yu, kandidatstuderende ved Institut for Kemisk og Biomolekylær Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign og medforfatter til papiret.

Vigtigt er SiO₂ katalysatorstøttestruktur forbedrer den katalytiske aktivitet af β-Mo₂ C 8 gange sammenlignet med bulk β-Mo₂ C. Selv med forbedret katalytisk aktivitet er β-Mo₂ C/SiO₂ katalysator viste høj CO-omdannelse og øget stabilitet sammenlignet med bulk β-Mo₂ C i RWGS-reaktioner.

"En stor opdagelse af vores arbejde er en ny proces til fremstilling af katalysatorer med høj metalbelastning lavet af molybdæncarbid-nanopartikler. Sådanne metalcarbidkatalysatorer er udviklet til at omdanne kuldioxid til kuloxid ved høj produktionshastighed og selektivitet," siger Andrew Kuhn, fhv. kandidatstuderende i afdelingen for kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved University of Illinois i Urbana-Champaign og førsteforfatter af papiret.

Forskerne udførte deres undersøgelse under reaktionsbetingelser, der favoriserede omdannelse til CO-gas, med en H₂ :CO₂ forhold lig med 1:1. Dette forhold adskiller sig fra det mere almindeligt testede forhold på mindre end 3:1.

Reaktioner blev også udført ved temperaturer mellem 300 og 600°C. Under disse forhold producerede holdet mere koncentreret CO, hvilket er mere effektivt til nedstrøms syntese af stoffer.

Holdet ser denne forskning som et startpunkt for andre katalysatorer, der udnytter støttestrukturer til at øge aktiviteten. "Vores evne til at syntetisere fase-rene metalcarbid nanomaterialer ved høj belastning åbner døren for udviklingen af ​​nye katalysatorer til processen med CO₂ udnyttelse," sagde Yang.

"Jeg håber, at vi gennem en dybdegående undersøgelse af syntese-struktur-egenskabsforholdet for denne katalysator snart vil være i stand til at afdække nye vigtige applikationer til værditilvækst konvertering af CO₂ og den bæredygtige udvikling af vores økonomi."

Andre bidragydere omfatter Rachel Park, Di Gao og Cheng Zhang fra Department of Chemical and Biomolecular Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign i Urbana, Illinois; og Yuanhui Zhang fra Department of Agricultural and Biological Engineering ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Flere oplysninger: Andrew N. Kuhn et al, Valorisering af kuldioxid til C1-produkt via omvendt vandgasskiftreaktion ved brug af oxidunderstøttede molybdæncarbider, Carbon Future (2024). DOI:10.26599/CF.2024.9200011

Leveret af Tsinghua University Press