Een recent artikel in het tijdschrift voor duurzame chemie ChemSusChem onthulde onderzoekers van de Universiteit van Pittsburgh nanodeeltjes "doping" om hun vermogen om koolstofdioxide op te vangen te verbeteren en een ruwe koolstofbron voor industriële processen te bieden. Niet te verwarren met het negatieve gebruik ervan in atletiek, "doping" in de chemische technologie verwijst naar het toevoegen van een stof aan een ander materiaal om de prestaties te verbeteren.

Samen met de wereldwijde temperaturen, onderzoek naar het afvangen van kooldioxide (CO ₂ ) is in opkomst. De hoeveelheid CO ₂ in de atmosfeer een historisch hoogtepunt van 408 deeltjes per miljoen heeft bereikt, volgens de laatste metingen van NASA. Eerdere studies hebben het verband aangetoond tussen broeikasgassen zoals CO ₂ en de opwarmingstrend, die begon rond de eeuwwisseling.

"Veel van onze industriële processen dragen bij aan de alarmerende hoeveelheid CO ₂ in de atmosfeer, dus we moeten nieuwe technologieën ontwikkelen om in te grijpen, " zegt Giannis Mpourmpakis, assistent-professor chemische en petroleumtechnologie aan de Pitt's Swanson School of Engineering. "CO . vastleggen ₂ uit de atmosfeer en het omzetten ervan in bruikbare chemicaliën kan zowel ecologisch als industrieel gunstig zijn."

Dr. Mpourmpakis was co-auteur van de studie getiteld "Design of Copper-Based Bimetallic Nanoparticles for Carbon Dioxide Adsorption and Activation" in ChemSusChem , met andere onderzoekers in Pitt's Department of Chemical and Petroleum Engineering, waaronder professor Götz Veserand, drie Ph.D. studenten:James Dean, Natalie Austin, en Yahui Yang. Een artistieke afbeelding van de met zirkonium gedoteerde koperen nanomaterialen verscheen op een van de omslagen van het tijdschrift voor deel 11, Nummer 7 april 2018.

Door een reeks computersimulaties en laboratoriumexperimenten, de onderzoekers ontwierpen en ontwikkelden een stabiele katalysator voor het afvangen en activeren van CO ₂ door koperen nanodeeltjes te doteren met zirkonium. De onderzoekers denken dat de nanodeeltjes een groot potentieel hebben om de CO2-voetafdruk van bepaalde processen, zoals het verbranden van fossiele brandstoffen, te verkleinen. Echter, CO ₂ moleculen zijn nogal terughoudend om te veranderen.

"CO ₂ is een zeer stabiel molecuul dat moet worden 'geactiveerd' om het om te zetten. Deze activering gebeurt door het binden van CO ₂ naar katalysatorplaatsen die de koolstof-zuurstofbinding minder stabiel maken. Onze experimenten bevestigden de computationele chemieberekeningen in de Mpourmpakis-groep dat het dopen van koper met zirkonium een ​​goede kandidaat is voor het verzwakken van de CO ₂ obligaties, " legt dr. Veser uit.

De groep van Mpourmpakis gebruikte computationele chemie om honderden potentiële experimenten veel sneller en goedkoper te simuleren dan traditionele laboratoriummethoden en identificeerde de meest veelbelovende kandidaat-doteringsstof die vervolgens experimenteel werd geverifieerd.

Koperen nanodeeltjes zijn zeer geschikt voor de omzetting van CO ₂ tot nuttige chemicaliën omdat ze goedkoop zijn, en het zijn uitstekende hydrogeneringskatalysatoren. Door hydrogenering, CO ₂ kunnen worden omgezet in hoogwaardige chemicaliën zoals methanol (CH ₃ OH) of methaan (CH ₄ ). Helaas, CO . omzetten ₂ vereist ook zijn activering die koper niet kan leveren. Zirkonium kan goed overweg met koper en activeert van nature CO ₂ .

"Om een ​​effectieve dotering te hebben, je moet plaatsen op het katalysatoroppervlak hebben die elektronen doorgeven aan CO ₂ , " zegt Dr. Mpourmpakis. "De doteerstof verandert de elektronische eigenschappen van materialen, en we ontdekten dat zirkonium bijzonder effectief is in het activeren van de CO ₂ ."

De Pitt-onderzoekers testten een aantal verschillende configuraties van nanodeeltjes en vonden de met zirkonium gedoteerde koperen nanodeeltjes bijzonder veelbelovende katalysatoren voor het hydrogeneren van CO ₂ en zijn al begonnen met het testen van hun effectiviteit.