De huidige commerciële productie van methanol door hydrogenering van het broeikasgas CO ₂ berust op een katalysator bestaande uit koper, zinkoxide en aluminiumoxide. Hoewel deze katalysator al tientallen jaren wordt gebruikt in de chemische industrie, er zijn nog steeds onbekenden. Een team van onderzoekers van de Interface Science Department van het Fritz-Haber-Instituut van de Max Planck Society, de Ruhr-Universiteit Bochum, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), FZ Juelich en Brookhaven National Laboratory hebben nu de oorsprong opgehelderd van intrigerende katalytische activiteit en selectiviteitstrends van complexe nanokatalysatoren terwijl ze aan het werk zijn. Vooral, ze werpen licht op de rol van de oxidedrager en onthulden hoe de methanolproductie kan worden beïnvloed door minieme hoeveelheden zinkoxide in nauw contact met koper.

Methanol kan dienen als energiebron of als grondstof voor de productie van andere chemicaliën, met meer dan 60 miljoen ton geproduceerd per jaar. Het traditionele koper, zinkoxide en aluminiumoxide katalysator zet synthesegas om, die is samengesteld uit H2, CO en CO ₂ , in methanol. Hoewel betrouwbaar, de efficiëntie van deze specifieke katalysator verandert in de loop van de tijd, waardoor de levensduur wordt beïnvloed, zoals het geval is met veel katalysatoren. "We hebben daarom koper en gemengde koper-zink-nanodeeltjes op verschillende oxidedragers bestudeerd om te begrijpen hoe ze op elkaar inwerken en evolueren en de rol van elk katalysatorbestanddeel te ontrafelen. Deze kennis zal dienen om toekomstige katalysatoren te verbeteren." zegt Núria Jiménez Divins, een van de hoofdauteurs van het onderzoek.

Het team onderzocht het katalytische proces onder realistische reactieomstandigheden die de omstandigheden reproduceren die in het industriële proces werden toegepast. dat wil zeggen hoge drukken (20-60 bar) en milde temperaturen. Dit vereiste synchrotron-gegenereerde röntgenstraling. Simon R. Bare van de Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, die hebben meegewerkt aan de experimenten, legt uit:"Reacties bij dergelijke temperaturen en hoge drukken moeten plaatsvinden in een gesloten container die ook transparant moet zijn voor de röntgenstralen, wat de metingen uitdagend maakt. Door het speciale reactorontwerp in combinatie met synchrotronstraling konden we zogenaamde operando-metingen doen, waar we live hebben gekeken wat er met de katalytische componenten gebeurt onder de industrieel relevante reactieomstandigheden." Hierdoor konden de onderzoekers niet alleen de geboorte en dood van de katalysator volgen, maar maar ook de ontwikkeling en transformaties die leiden tot veranderingen in zijn activiteit en selectiviteit.

Door resultaten van microscopie te combineren, spectroscopie en katalytische metingen, het team ontdekte dat sommige dragers een positievere invloed hadden op de prestaties van de katalysator dan andere vanwege hun interactie met zinkoxide, die in een zeer verdunde manier beschikbaar was als onderdeel van Cu-Zn-nanodeeltjes. Op siliciumoxidedragers, zinkoxide werd tijdens het katalytische proces gedeeltelijk gereduceerd tot metallisch zink of gaf aanleiding tot een messinglegering, wat na verloop van tijd nadelig bleek te zijn voor de methanolproductie. Bij gebruik van aluminiumoxide als drager, zink interageert sterk met de drager en wordt opgenomen in zijn rooster, wat aanleiding geeft tot een verandering in de reactieselectiviteit naar dimethylether. "Dit is een interessante bevinding", zegt David Kordus, de andere hoofdauteur van de studie en Ph.D. student aan de afdeling Interface Science van FHI. "We weten nu dat de keuze van het dragermateriaal van invloed is op hoe de actieve componenten van de katalysator zich gedragen en zich dynamisch aanpassen aan de reactieomstandigheden. Vooral de oxidatietoestand van zink wordt hierdoor kritisch beïnvloed, waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van toekomstige katalysatoren."

Dit werk gepubliceerd in Natuurcommunicatie toont aan dat zinkoxide niet beschikbaar hoeft te zijn als onderdeel van de drager, maar dat het nog steeds een gunstige functie heeft, zelfs wanneer het in sterk verdunde vorm beschikbaar is als onderdeel van de nanodeeltjeskatalysator zelf. Dit zal helpen om de methanolsynthesekatalysatoren beter op te helderen en mogelijk leiden tot een verbetering van de katalysator voor dit belangrijke industriële proces.