Werken onder goede omstandigheden maakt het gemakkelijk om een ​​klus te klaren. Maar wat als je goed in geweldig zou kunnen veranderen? Dat is wat wetenschappers deden voor een populaire katalysator die de omzetting van koolstofdioxide in een veelbelovende grondstof, bekend als formiaat, stimuleert. Een op aarde overvloedige katalysator op basis van kobalt drijft de reactie aan in een oplosmiddel met een supersterke base die duur is. Met wat back-of-the-envelop berekeningen, Dr. Eric Wiedner en zijn collega's van DOE's Pacific Northwest National Laboratory voorspelden dat de kobaltkatalysator een ander reactiepad zou kunnen volgen om in water te werken met goedkoop natriumbicarbonaat, algemeen bekend als bakpoeder. Het resultaat? De katalysator is de best presterende niet-edelmetaalkatalysator voor het omzetten van kooldioxide in water.

"Door thermodynamische voorspellers te gebruiken om katalysatoren te ontwerpen, we hebben de shotgun-benadering en de bijbehorende tijd en kosten vermeden, " zei Wiedner. "We begrijpen hoe we de thermodynamica van de katalysator kunnen regelen, en kunnen nu onze bevindingen uitbreiden om nieuwe katalytische systemen te ontwerpen."

Het werk van het team laat zien dat de reactieomgeving, inclusief de katalysator, oplosmiddel, en basis, heeft een sterke invloed op de reactie. In dit geval, de omgeving bepaalt hoe de reactie verloopt. Het begrijpen van de invloed van de omgeving is cruciaal voor het ontwerpen van de beste katalysatoren. En de beste katalysatoren zijn nodig om een ​​veel voorkomende verontreinigende stof om te zetten in een chemische stof die kan dienen als bouwsteen voor de productie van koolwaterstofbrandstoffen en chemicaliën.

Wat als de vervuilende kooldioxide zou kunnen worden gebruikt als grondstof voor waardevolle chemicaliën? Het molecuul zou worden omgezet in een koolwaterstofbouwsteen. Hoe? Door eerst waterstof toe te voegen om formiaat te maken (HCOO-). Een grote uitdaging is het vinden van een katalysatorsysteem dat de reactie kan aansturen zonder afhankelijk te zijn van dure chemicaliën. Een onderzoeksteam van het Pacific Northwest National Laboratory bedacht een op kobalt gebaseerd katalysatorsysteem dat in water werkt. De katalysator is de beste als het gaat om het aandrijven van de reactie in water zonder afhankelijk te zijn van edele metalen of dure basen.

Het team voorspelde hoe de katalysator zou reageren met kooldioxide op basis van de verwachte impact van oplosmiddel op de hydride (H-) overdracht, met als doel werken in het water. Het mechanisme was anders dan dat van het traditionele oplosmiddel, tetrahydrofuran. Het resulterende mechanisme is gebaseerd op goedkoop natriumbicarbonaat in plaats van een sterke en dure base.

Geleid door de voorspellingen, het team testte de katalysator in water met kooldioxide. Ze karakteriseerden de prestaties van de katalysator door kernmagnetische resonantiespectroscopie onder hoge druk met behulp van een aangepaste cel die is ontwikkeld en gebouwd bij PNNL. "Dit is een zeldzame en krachtige techniek in de katalysegemeenschap, " zei Wiedner. De analyse van het team toonde aan dat de katalysator precies had gewerkt zoals voorspeld.