Stel je voor dat kooldioxide (CO ₂ ) gemakkelijk kan worden omgezet in bruikbare energie. Elke keer dat u ademhaalt of een motorvoertuig bestuurt, je zou een belangrijk ingrediënt produceren voor de opwekking van brandstoffen. Zoals fotosynthese in planten, we zouden CO . kunnen worden ₂ in moleculen die essentieel zijn voor het dagelijks leven. Nutsvoorzieningen, wetenschappers zijn een stap dichterbij.

Onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) maken deel uit van een wetenschappelijke samenwerking die een nieuwe elektrokatalysator heeft geïdentificeerd die CO efficiënt omzet ₂ tot koolmonoxide (CO), een zeer energetisch molecuul. Hun bevindingen werden op 1 februari gepubliceerd in Energie en milieuwetenschappen .

"Er zijn veel manieren om CO te gebruiken, " zei Eli Stavitski, een wetenschapper in Brookhaven en een auteur op het papier. "Je kunt het laten reageren met water om energierijk waterstofgas te produceren, of met waterstof om bruikbare chemicaliën te produceren, zoals koolwaterstoffen of alcoholen. Als er een duurzame, kostenefficiënte route om CO . te transformeren ₂ naar CO, het zou de samenleving enorm ten goede komen."

Wetenschappers hebben lang gezocht naar een manier om CO . om te zetten ₂ naar CO, maar traditionele elektrokatalysatoren kunnen de reactie niet effectief initiëren. Dat komt omdat een concurrerende reactie, de waterstofevolutiereactie (HER) of "watersplitsing, " heeft voorrang op de CO ₂ conversie reactie.

Een paar edele metalen, zoals goud en platina, kan HAAR vermijden en CO . omzetten ₂ naar CO; echter, deze metalen zijn relatief zeldzaam en te duur om als kostenefficiënte katalysatoren te dienen. Dus, om CO . om te zetten ₂ op een kosteneffectieve manier CO2 wetenschappers gebruikten een geheel nieuwe vorm van katalysator. In plaats van nanodeeltjes van edelmetaal, ze gebruikten enkele atomen nikkel.

"Nikkel metaal, massaal, zelden geselecteerd als kansrijke kandidaat voor het omzetten van CO ₂ naar CO, " zei Haotian Wang, een Rowland Fellow aan de Harvard University en de corresponderende auteur op het papier. "Eén reden is dat het HAAR erg goed presteert, en brengt de CO . naar beneden ₂ selectiviteit drastisch te verminderen. Een andere reden is dat het oppervlak gemakkelijk kan worden vergiftigd door CO-moleculen als die worden geproduceerd."

Enkele atomen van nikkel, echter, een ander resultaat opleveren.

"Enkele atomen produceren liever CO, in plaats van de concurrerende HER uit te voeren, omdat het oppervlak van een bulkmetaal heel anders is dan individuele atomen, ' zei Stavitski.

Klaus Attenkofer, ook een Brookhaven-wetenschapper en een co-auteur van het papier, toegevoegd, "Het oppervlak van een metaal heeft één energiepotentiaal - het is uniform. Terwijl op een enkel atoom, elke plek op het oppervlak heeft een ander soort energie."

Naast de unieke energetische eigenschappen van enkele atomen, de CO ₂ gespreksreactie werd vergemakkelijkt door de interactie van de nikkelatomen met een omringend vel grafeen. Door de atomen aan grafeen te verankeren, konden de wetenschappers de katalysator afstemmen en HER onderdrukken.

Om de individuele nikkelatomen in de atomair dunne grafeenplaat van dichterbij te bekijken, de wetenschappers gebruikten scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) bij Brookhaven's Centre for Functional Nanomaterials (CFN), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. Door een elektronensonde over het monster te scannen, de wetenschappers waren in staat om discrete nikkelatomen op het grafeen te visualiseren.

"Onze ultramoderne transmissie-elektronenmicroscoop is een uniek hulpmiddel om uiterst kleine functies te zien, zoals enkele atomen, " zei Sooyeon Hwang, een wetenschapper bij CFN en een co-auteur van het papier.

"Enkele atomen zijn meestal onstabiel en hebben de neiging om te aggregeren op de drager, " voegde Dong Su toe, ook een CFN-wetenschapper en een co-auteur van het papier. "Echter, we ontdekten dat de afzonderlijke nikkelatomen uniform waren verdeeld, wat goed was voor de uitstekende prestatie van de conversiereactie."

Om de chemische complexiteit van het materiaal te analyseren, de wetenschappers gebruikten beamline 8-ID bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - ook een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven Lab. Het ultraheldere röntgenlicht bij NSLS-II stelde de wetenschappers in staat om een ​​gedetailleerd beeld van de innerlijke structuur van het materiaal te "zien".

"Fotonen, of lichtdeeltjes, interageren met de elektronen in de nikkelatomen om twee dingen te doen, " zei Stavitski. "Ze sturen de elektronen naar hogere energietoestanden en, door die energietoestanden in kaart te brengen, we kunnen de elektronische configuratie en de chemische toestand van het materiaal begrijpen. Als we de energie van de fotonen verhogen, ze schoppen de elektronen van de atomen en interageren met de naburige elementen." dit leverde de wetenschappers een beeld op van de lokale structuur van de nikkelatomen.

Op basis van de resultaten van de studies aan Harvard, NSLS-II, CFN, en aanvullende instellingen, de wetenschappers ontdekten dat enkele nikkelatomen de CO . katalyseerden ₂ omzettingsreactie met een rendement van maximaal 97 procent. De wetenschappers zeggen dat dit een grote stap is in de richting van het recyclen van CO ₂ voor bruikbare energie en chemicaliën.

"Om deze technologie in de toekomst toe te passen op echte toepassingen, we zijn momenteel gericht op het produceren van deze katalysator met één atoom op een goedkope en grootschalige manier, terwijl de prestaties worden verbeterd en de efficiëntie wordt behouden, " zei Wang.