Bij het gebruik van röntgenstralen om de vroege stadia van een chemisch proces te bestuderen dat koolstofdioxide kan herformuleren in meer bruikbare verbindingen, inclusief vloeibare brandstoffen, onderzoekers waren verrast toen het experiment hen iets nieuws leerde over wat deze reactie veroorzaakt.

Een röntgentechniek bij het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Department of Energy (Berkeley Lab), gekoppeld aan theoretisch werk door een team van het California Institute of Technology, Pasadena (Caltech), onthulde hoe zuurstofatomen die zeer dicht bij het oppervlak van een kopermonster waren ingebed, een dramatischer effect hadden op de vroege stadia van de reactie met koolstofdioxide dan eerdere theorieën konden verklaren.

Deze informatie kan nuttig zijn bij het ontwerpen van nieuwe soorten materialen om reacties verder te verbeteren en ze efficiënter te maken bij het omzetten van koolstofdioxide in andere producten. Grote concentraties kooldioxide zijn schadelijk voor de gezondheid en het milieu, dus hebben onderzoekers manieren gezocht om het uit de atmosfeer te verwijderen en het veilig op te slaan of het chemisch om te zetten in meer heilzame vormen.

Om uit te leggen wat er aan de hand was, het onderzoeksteam ontwikkelde computermodellen, en herzien bestaande theorieën om uit te leggen wat ze zagen in experimenten. Hun resultaten werden op 12 juni online gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences logboek.

Koper is een veel voorkomende katalysator - een materiaal dat wordt gebruikt om chemische reacties te activeren en te versnellen - en, hoewel het niet efficiënt is, het helpt bij de productie van ethanol bij blootstelling aan kooldioxide en water. In de bestudeerde reactie, het koper helpt om koolstofdioxide en watermoleculen chemisch af te breken en weer samen te voegen tot andere moleculen.

"We hebben meer gevonden dan we dachten dat we zouden vinden uit dit fundamentele onderzoek, " zei Ethan Crumlin, een wetenschapper bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) die samen met Junko Yano, de onderzoekers van het Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP), de studie leidde, bij Berkeley Lab, en William Goddard III, bij Caltech.

De ALS is een röntgenonderzoeksfaciliteit die bekend staat als een synchrotron en die tientallen experimentele bundellijnen heeft voor het onderzoeken van een breed scala aan microscopische eigenschappen in materie, en JCAP is gericht op het omzetten van kooldioxide, water, en zonlicht in hernieuwbare brandstoffen.

"Het hebben van zuurstofatomen net onder het oppervlak - een suboxidelaag - is hierbij een cruciaal aspect, " zei Crumlin. Het röntgenonderzoek bracht nieuwe duidelijkheid bij het bepalen van de juiste hoeveelheid van deze ondergrondse zuurstof - en zijn rol in interacties met kooldioxidegas en water - om de reactie te verbeteren.

"Deze suboxidelaag begrijpen, en het suboxide in contact met water, is een integraal onderdeel van hoe water interageert met koolstofdioxide" in dit type reactie, hij voegde toe.

Goddard en zijn collega's bij Caltech werkten nauw samen met onderzoekers van Berkeley Lab om een ​​kwantummechanica-theorie te ontwikkelen en te verfijnen die paste bij de röntgenwaarnemingen en de elektronische structuur van de moleculen in de reactie verklaarde.

"Dit was een goede looping, iteratief proces, "Zei Crumlin. "Gewoon nieuwsgierig zijn en geen genoegen nemen met een simpel antwoord heeft zijn vruchten afgeworpen. Het begon allemaal samen te komen als een samenhangend verhaal."

Goddard zei, "Dit heen en weer tussen theorie en experiment is een opwindend aspect van modern onderzoek en een belangrijk onderdeel van de JCAP-strategie om brandstoffen te maken uit koolstofdioxide." Het Caltech-team gebruikte computers om te helpen begrijpen hoe elektronen en atomen zichzelf herschikken in de reactie.

Bij ALS van Berkeley Lab, onderzoekers gebruikten een röntgentechniek die bekend staat als APXPS (röntgenfoto-elektronspectroscopie met omgevingsdruk terwijl ze een dun folievel van een speciaal behandeld koper - bekend als Cu (111) - blootstellen aan kooldioxidegas en water bij kamertemperatuur toevoegen.

In voortgaande experimenten verwarmden ze het monster enigszins in zuurstof om de concentratie van ingebedde zuurstof in de folie te variëren, en gebruikte röntgenstralen om de vroege stadia te onderzoeken van hoe koolstofdioxide en water synergetisch reageren met verschillende hoeveelheden ondergronds oxide aan het oppervlak van het koper.

De röntgenonderzoeken, gepland en uitgevoerd door Marco Favaro, de hoofdauteur van de studie, onthulde hoe koolstofdioxidemoleculen botsen met het oppervlak van het koper, zweef er dan boven in een zwak gebonden staat. Interacties met watermoleculen dienen om de koolstofdioxidemoleculen zodanig te buigen dat ze waterstofatomen van de watermoleculen kunnen strippen. Dit proces vormt uiteindelijk ethanol, een soort vloeibare brandstof.

"De bescheiden hoeveelheid ondergrondse zuurstof helpt bij het genereren van een mengsel van metallisch en geladen koper dat de interactie met koolstofdioxide kan vergemakkelijken en verdere reacties kan bevorderen in de aanwezigheid van water, ' zei Krullijn.

Koper heeft enkele tekortkomingen als katalysator, Yano merkte op, en het is momenteel moeilijk om het eindproduct te controleren dat een bepaalde katalysator zal genereren.

"Als we weten wat het oppervlak doet, en wat het model is voor deze chemische interactie, dan is er een manier om dit na te bootsen en te verbeteren, "Zei Yano. Het lopende werk kan ook helpen om de uiteindelijke output van een bepaalde katalysator in een reactie te voorspellen. "We weten dat koper werkt - hoe zit het met verschillende koperoppervlakken, koperlegeringen, of verschillende soorten metalen en legeringen?"