Om de prestaties van de katalysator te optimaliseren, een team van wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en medewerkers heeft een gedetailleerd begrip ontwikkeld van het effect van voorbehandeling-geïnduceerde structurele en samenstellingsveranderingen op nanoschaal op de katalysatoractiviteit en stabiliteit op lange termijn.

Het onderzoek zou de productie van de belangrijke industriële grondstof aceetaldehyde efficiënter kunnen maken.

Verbeteringen in de energie-efficiëntie van chemische productie zijn nodig om de wereldwijde energie-uitdagingen aan te gaan. Heterogene katalyse met behulp van nanomaterialen heeft het potentieel om de efficiëntie aanzienlijk te verhogen door de reactieselectiviteit te verbeteren en de bedrijfstemperatuur voor processen met een hoog volume te verlagen. Nanomaterialen kunnen ook nieuwe katalytische processen mogelijk maken die de efficiëntie verbeteren door de noodzaak voor scheiding van bijproducten te elimineren, zoals water.

De productie van het aceetaldehyde is een goed voorbeeld van de noodzaak om de energie-efficiëntie van chemische transformaties te verbeteren. Aceetaldehyde is een uitgangsmateriaal voor verschillende industriële chemicaliën.

Het huidige proces om aceetaldehyde te produceren is de oxidatieve dehydrogenering van ethanol gekatalyseerd door zilver, die een hoge temperatuur en scheiding van het bijproduct vereist, water.

Maar het LLNL-team en de medewerkers hebben een manier gevonden om nikkel (Ni)-gedoteerde koper (Cu) katalysatoren te stabiliseren die directe katalytische niet-oxidatieve dehydrogenering van ethanol naar aceetaldehyde en waterstof mogelijk maken. een schone brandstof.

"Niet-oxidatieve dehydrogenering van ethanol biedt veel voordelen ten opzichte van de huidige productiemethoden, inclusief het genereren van waterstof als bijproduct en tegelijkertijd het vermijden van scheiding van water, het bijproduct van oxidatieve dehydrogenering van ethanol, " zei LLNL materiaalwetenschapper Juergen Biener, hoofdauteur van een artikel dat in het tijdschrift verschijnt Katalyse Wetenschap &Technologie .

Wetenschappers zijn geïnteresseerd in katalysatoren die zijn samengesteld uit Ni en Cu vanwege hun gebruik in veel katalytische en elektrokatalytische toepassingen (inclusief reductie van kooldioxide). Ze zijn ook overvloedig en relatief goedkoop.

Met behulp van in situ en ex situ röntgenfoto-elektronenspectroscopie en verschillende elektronenmicroscopietechnieken, het team ontdekte dat de katalytische activiteit en stabiliteit van een nanoporeuze (np) NiCu-legeringskatalysator kan worden verbeterd door een kinetisch gevangen Ni-ondergrondse toestand te genereren door een zuurstofvoorbehandeling.

Blootstelling van het geoxideerde oppervlak aan ethanol bij reactietemperatuur vermindert het CuO-oppervlak terwijl het grootste deel van het Ni geoxideerd blijft en ingebed in het Cu. In deze staat, Ni-doping zorgt voor stabiele (meer dan 60 uur) en verbeterde activiteit voor katalytische dehydrogenering van ethanol tot aceetaldehyde en waterstof.

"Deze studie benadrukt het belang van het begrijpen van de dynamische veranderingen van katalytische oppervlakken veroorzaakt door blootstelling aan reactieve gassen als een hulpmiddel om materiaaleigenschappen af ​​te stemmen en hun prestaties te verbeteren, met implicaties die zich uitstrekken tot elektrokatalyse, fotokatalyse, materiaal kunde, op metaal gebaseerde biologische toepassingen en daarbuiten, ' zei Biener.