Wat als we koolstofdioxide konden omzetten, CO2, tot een waardevolle hulpbron? Het gebruik van CO2 als grondstof voor het maken van brandstoffen of andere chemicaliën zou economische en ecologische voordelen opleveren. De uitdaging is om effectieve processen te ontwerpen die alleen de gewenste chemische stof opleveren:methaan of koolmonoxide. Waarom? Wetenschappers hadden geen duidelijk begrip van de cruciale stappen in het reactiemechanisme. Wetenschappers van het Pacific Northwest National Laboratory, geleid door Dr. Janos Szanyi, bepaald dat formaat (HCOO-), een vaak over het hoofd gezien ion, was een cruciaal tussenproduct in het totale CO2-conversieproces. De balans in de omzettingssnelheden van formiaat- en koolmonoxide-tussenproducten bepaalt welke chemicaliën worden geproduceerd.

"Deze studie geeft ons cruciale informatie om een ​​gemakkelijk verkrijgbare grondstof te gebruiken, CO2, en verander het in iets nuttigs - een chemisch tussenproduct, koolmonoxide, of een energiedrager, methaan. Dit tussenproduct kan worden gebruikt voor de productie van hogere koolwaterstoffen, of brandstoffen, ' zei Szanyi.

Voor jaren, sommigen beschouwden formate als niets meer dan een omstander, een molecuul dat niet bijdroeg aan de reactie. Nutsvoorzieningen, het team heeft laten zien dat formaat inderdaad essentieel is. De stappen begrijpen, en de rol van formats, laat wetenschappers een selectieve katalysator ontwerpen die de gewenste chemicaliën naar buiten pompt. Het begrijpen van de stappen in de reactie geeft wetenschappers cruciale informatie om de reactie te beheersen. Verder, het werk maakt een einde aan een langdurige controverse over de rol van formaten op het oppervlak van de katalysator.

In dit onderzoek, een team van het Pacific Northwest National Laboratory bepaalde de factoren die de selectiviteit van een katalysator voor CO2-hydrogenering tot koolmonoxide of methaan bepalen. Ze gebruikten een nieuwe combinatie van operandotransmissie FTIR en SSITKA-experimenten (Fourier Transform Infrared Spectroscopy/Steady State Isotopic Transient Kinetic Analysis).

Ze bepaalden het gedrag van belangrijke tussenproducten (formiaten en koolmonoxide) op het oppervlak van de katalysator. Voor de vorming van koolmonoxide, de tariefbepalende stap is de conversie, of vermindering, van geadsorbeerd formaat op het grensvlak van de palladiummetaalkatalysator en de aluminiumoxidedrager. Voor methaanvorming, de snelheidsbepalende stap (zie de groene pijlen in de figuur) is het toevoegen van waterstof aan het geadsorbeerde koolmonoxide. Het evenwicht tussen de snelheden van geabsorbeerde formiaatreductie en koolmonoxidemethanisering bepaalt de selectiviteit van de katalysator. Dat is, de selectiviteit draait om hoe snel de tussenproducten aan het oppervlak waterstof opnemen, waarbij koolmonoxide of methaan ontstaat.

Nadat de belangrijkste aspecten van de reactie zijn bepaald, het team ontwierp drie katalysatoren met verschillende verdelingen van palladium. De hoeveelheid palladium op het oppervlak, ze vonden, is een ander essentieel aspect bij het selecteren van de producten. De katalysator met het minste palladium produceerde zowel koolmonoxide als methaan, met een hogere selectiviteit voor koolmonoxide. In tegenstelling tot, een selectiviteit van meer dan 80 procent naar methaanvorming werd waargenomen over de katalysator met de hoogste metaalbelading.

Het team past nu de omgeving rond de actieve site van de katalysator aan om de selectiviteit ervan af te stemmen. Dit werk is gericht op het verminderen van de hoeveelheid ongewenste producten die vrijkomen. In aanvulling, het team ontwikkelt methoden om katalysatoren met één atoom te bereiden om de efficiëntie van de betrokken edelmetalen te verhogen.