Medewerkers van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy en Amerikaanse universiteiten gebruikten neutronenverstrooiing en andere geavanceerde karakteriseringstechnieken om te bestuderen hoe een prominente katalysator de "water-gasshift" -reactie in staat stelt om waterstof op industriële schaal te zuiveren en te genereren.

Resultaten gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Society een langlopend debat over het reactiemechanisme van de katalysator beslecht, het openen van routes om de kosten en efficiëntie van grootschalige waterstofproductie te verbeteren.

"Ons werk bevordert aanzienlijk het fundamentele begrip van een complexe, industriekritische katalysator die moeilijk te bestuderen was, "Zei Zili Wu van ORNL's Chemical Sciences Division. "Bepalen hoe deze reactie op atomair niveau werkt, maakt verdere inspanningen mogelijk om de katalysator te optimaliseren voor betere prestaties."

Medewerkers onderzochten een koper-chroom-ijzeroxide-katalysator (CuCrFeO _x ) geleverd door Lehigh University.

"We kennen de bestaande CuCrFeO . al _x katalysator werkt, maar hoe het werkt, is onderwerp van discussie geweest, " zei Felipe Polo-Garzon van ORNL, die met Wu werkte aan de multimodale aanpak van het team om het reactiemechanisme van de katalysator te lokaliseren.

Het doel was om te bestuderen hoe de katalysator zich gedraagt ​​in reële omstandigheden om bewijs te vinden van ofwel een oxidatiereductie ("redox") of een associatief mechanisme - twee overheersende theorieën over hoe CuCrFeO _x werkt aan de productie van waterstof.

Bij een redoxreactie wordt reactanten wisselen een deel van hun atomen uit met het oppervlak van de katalysator om nieuwe stoffen op te leveren, in dit voorbeeld, waterstof en koolstofdioxide. Daarentegen, in een associatieve reactie, alle reagerende moleculen binden zich aan het oppervlak van de katalysator in een tussenstap om tot de eindproducten te komen.

Om ondubbelzinnig te bewijzen hoe de CuCrFeO _x katalysator werkt (redox vs. associatief mechanisme), onderzoekers wierpen een breed net van experimentele en computationele methoden.

Alle resultaten wezen op dezelfde conclusie:een redoxreactie. Bij hoge temperatuuromstandigheden, de katalysator verliest zuurstofatomen om plaats te maken voor watermoleculen die dissociëren en zuivere waterstof afgeven.

"Het antwoord is belangrijk omdat het ons helpt het kritieke punt in de reactie te identificeren waar waterstof wordt gegenereerd, ’ zei Polo-Garzon.

Veel bestaande katalysatoren zijn met vallen en opstaan ​​tot stand gekomen, wat vaak hun efficiëntie beperkt. De fundamentele ontdekking van het team zou giswerk kunnen elimineren en onderzoekers precies kunnen vertellen waar ze moeten zoeken naar mogelijkheden om een ​​betere katalysator voor het genereren van waterstof te synthetiseren.

Waterstof is het meest voorkomende element op aarde, maar het komt van nature niet voor in de zuivere vorm die de industrieën nodig hebben voor olieraffinage, ammoniakproductie voor meststoffen, voedselverwerking, metaal behandeling, en andere brede toepassingen. Het grootste deel van de waterstofvoorziening in de wereld wordt geproduceerd door reforming van methaan met stoom, waarbij aardgas wordt omgezet in een waterstofmengsel dat wordt geraffineerd via water-gasverschuivingskatalyse om zuivere waterstof te maken.

Verschillende factoren beperken het begrip van wat waterstofopwekking mogelijk maakt tijdens de water-gasverschuivingsreactie. De CuCrFeO _x katalysator reconstrueert tijdens bedrijf, dus de verse en gebruikte versies zijn verschillend, waardoor het bijzonder uitdagend is om het materiaal te karakteriseren. Eerder, informatie over hoe de oppervlaktechemie verandert tijdens reactieomstandigheden ontbrak in de puzzel.

Een andere hindernis is de kleur van de verbinding. De zwarte katalysator belemmert optische spectroscopie en andere conventionele technieken die afhankelijk zijn van licht om gegevens te verkrijgen, omdat het monster te donker is om effectief te "zien".

Neutronenvibratiespectroscopie-experimenten uitgevoerd op de VISION-bundellijn bij ORNL's Spallation Neutron Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, hielp bij het overwinnen van enkele van de uitdagingen van het bestuderen van CuCrFeO _x .

Omdat neutronen anders reageren op monsters dan licht, ze kunnen informatie die verkregen is uit optische technieken aanvullen. Ze zijn ook ideaal voor het observeren van waterstof, die moeilijk te detecteren is met andere experimentele methoden vanwege het lage atoomgewicht van het element.

De beloning was tweeledig, zegt Polo-Garzon. "Neutronen gaven ons een cruciaal stukje van de puzzel om het associatieve mechanisme te weerleggen, waaruit blijkt dat er geen relevant tussenproduct aanwezig was op het oppervlak van de katalysator, " zei hij. "We hebben ook iets waargenomen dat nog niet eerder op het oppervlak van de katalysator is gedetecteerd - hydriden."

Hydriden zijn oppervlaktesoorten die een sleutelrol spelen in op waterstof gebaseerde reacties, maar zijn uiterst moeilijk waar te nemen in gemengde metalen materialen zoals CuCrFeO _x .

Naast neutronenexperimenten, onderzoekers voerden infraroodspectroscopie en temperatuurgeprogrammeerde oppervlaktereactiekarakterisering uit in het Center for Nanophase Materials Sciences, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, en isotopische transiënte kinetische analyse bij ORNL; bijna-omgevingsdruk Röntgenfoto-elektronenspectroscopie aan de Universiteit van Kansas; en dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen aan de Universiteit van Californië, Rivieroever, die middelen van het National Energy Research Scientific Computing Center gebruikte, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

"Je hebt meer dan één benadering nodig om alle informatie te verzamelen en te interpreteren die nodig is om het hele verhaal op te bouwen, "zei Polo-Garzon. "Onze samenwerking benadrukt het succes van een multimodale aanpak om fundamentele doorbraken op te leveren."

Het tijdschriftartikel is gepubliceerd als "Opheldering van het reactiemechanisme voor watergasverschuiving bij hoge temperatuur over een koper-chroom-ijzeroxidekatalysator van het industriële type."