Het opvangen van koolstofdioxide (CO2) en het omzetten in nuttige chemicaliën zoals methanol zou zowel de vervuiling als onze afhankelijkheid van aardolieproducten kunnen verminderen. Wetenschappers zijn dus intens geïnteresseerd in de katalysatoren die dergelijke chemische omzettingen mogelijk maken. Net als moleculaire dealmakers, katalysatoren brengen de reagerende chemicaliën samen op een manier die het voor hen gemakkelijker maakt om hun chemische bindingen te verbreken en te herschikken. Het begrijpen van details van deze moleculaire interacties zou kunnen wijzen op strategieën om de katalysatoren voor meer energie-efficiënte reacties te verbeteren.

Met dat doel voor ogen, chemici van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie en hun medewerkers hebben zojuist resultaten vrijgegeven van experimenten en computationele modelleringsstudies die de "actieve plaats" van een katalysator die gewoonlijk wordt gebruikt voor het maken van methanol uit CO2 definitief identificeren. De resultaten, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , een langlopend debat op te lossen over welke katalytische componenten precies deelnemen aan de chemische reacties - en de focus zou moeten zijn van inspanningen om de prestaties te verbeteren.

"Deze katalysator, gemaakt van koper, zinkoxide, en aluminiumoxide - wordt gebruikt in de industrie, maar het is niet erg efficiënt of selectief, " zei Brookhaven-chemicus Ping Liu, de hoofdauteur van de studie, die ook een adjunct-functie heeft aan de nabijgelegen Stony Brook University (SBU). “We willen het verbeteren, en laat het werken bij lagere temperaturen en lagere drukken, wat energie zou besparen, " ze zei.

Maar voorafgaand aan deze studie, verschillende groepen wetenschappers hadden twee verschillende actieve plaatsen voor de katalysator voorgesteld - een deel van het systeem met alleen koper- en zinkatomen, of een gedeelte met koperzinkoxide.

"We wilden weten welk deel van de moleculaire structuur bindt en breekt en bindingen maakt om reactanten om te zetten in product - en hoe het dat doet, " zei co-auteur Jose Rodriguez, een andere Brookhaven-chemicus verbonden aan SBU.

Er achter komen, Rodriguez voerde een reeks laboratoriumexperimenten uit met goed gedefinieerde modelkatalysatoren, waaronder een gemaakt van zink nanodeeltjes ondersteund op een koperen oppervlak, en een andere met zinkoxide nanodeeltjes op koper. Om de twee uit elkaar te houden, hij gebruikte een energetische röntgenstraal om de monsters te zappen, en de eigenschappen van uitgezonden elektronen gemeten. Deze elektronische "handtekeningen" bevatten informatie over de oxidatietoestand van de atomen waar de elektronen vandaan kwamen, of het nu zink of zinkoxide is.

Ondertussen Liu, Jingguang Chen van Brookhaven Lab en Columbia University, en Shyam Kattel, de eerste auteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker, mede geadviseerd door Liu en Chen, gebruikte computationele middelen bij Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN) en het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) - twee DOE Office of Science User Facilities - om te modelleren hoe deze twee soorten katalysatoren zouden deelnemen aan de CO2-naar-methanol-transformaties . Deze theoretische studies gebruiken berekeningen die rekening houden met de basisprincipes van het verbreken en maken van chemische bindingen, inclusief de benodigde energie, de elektronische toestanden van de atomen, en de reactieomstandigheden, waardoor wetenschappers de reactiesnelheden kunnen afleiden en bepalen welke katalysator de beste omzettingssnelheid zal geven.

"We ontdekten dat koperzinkoxide de beste resultaten zou moeten geven, en dat koperzink zelfs niet stabiel is onder reactieomstandigheden, "zei Liu. "In feite, het reageert met zuurstof en verandert in koperzinkoxide."

Die voorspellingen kwamen overeen met wat Rodriguez in het laboratorium opmerkte. "We ontdekten dat alle sites die deelnamen aan deze reacties koper-zinkoxide waren, " hij zei.

Maar vergeet het koper niet.

"In onze simulaties alle reactietussenproducten - de chemicaliën die zich vormen op de weg van CO2 naar methanol - binden aan zowel het koper- als het zinkoxide, " Zei Kattel. "Dus er is een synergie tussen het koper- en zinkoxide dat de chemische transformatie versnelt. Je hebt zowel het koper als het zinkoxide nodig."

Het optimaliseren van de koper/zinkoxide-interface zal de drijvende kracht worden voor het ontwerpen van een nieuwe katalysator, zeggen de wetenschappers.

"Dit werk toont duidelijk de synergie aan van het combineren van theoretische en experimentele inspanningen voor het bestuderen van katalytische systemen van industrieel belang, "zei Chen. "We zullen dezelfde gecombineerde benaderingen blijven gebruiken in toekomstige studies."

Bijvoorbeeld, zei Rodriguez, "We zullen verschillende configuraties van de atomen op het koper/zinkoxide-interface proberen om te zien hoe dat de reactiesnelheid beïnvloedt. we gaan van het bestuderen van het modelsysteem naar systemen die praktischer zijn voor gebruik door de industrie."

Een essentieel hulpmiddel voor deze volgende stap is Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een andere Office of Science User Facility. NSLS-II produceert extreem heldere röntgenstralen - ongeveer 10, 000 keer helderder dan de breedstralende laboratoriumröntgenbron die in dit onderzoek is gebruikt. Met die intense röntgenstralen kunnen de wetenschappers snapshots met hoge resolutie maken die zowel structurele als chemische informatie over de katalysator onthullen, de reactanten, en de chemische tussenproducten die zich vormen als de reactie plaatsvindt.

"En we zullen doorgaan met het uitbreiden van de theorie, " zei Liu. "De theorie wijst op de mechanistische details. We willen interacties op het koper/zinkoxide grensvlak wijzigen om te zien hoe dat de activiteit en efficiëntie van de katalysator beïnvloedt, en we hebben de theorie ook nodig om daarmee verder te gaan."