Vrijwel alle chemische en brandstofproductie is afhankelijk van katalysatoren, die chemische reacties versnellen zonder daarbij te worden verbruikt. De meeste van deze reacties vinden plaats in enorme reactorvaten en kunnen hoge temperaturen en drukken vereisen.

Wetenschappers hebben gewerkt aan alternatieve manieren om deze reacties met elektriciteit aan te drijven, in plaats van warmte. Dit kan mogelijk goedkope, efficiënt, gedistribueerde productie aangedreven door hernieuwbare bronnen van elektriciteit.

Maar onderzoekers die gespecialiseerd zijn in deze twee benaderingen - warmte versus elektriciteit - werken meestal onafhankelijk, het ontwikkelen van verschillende soorten katalysatoren die zijn afgestemd op hun specifieke reactieomgevingen.

Een nieuwe onderzoekslijn moet daar verandering in brengen. Wetenschappers van Stanford University en het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben vandaag gemeld dat ze een nieuwe katalysator hebben gemaakt die werkt met warmte of elektriciteit. Op basis van nikkelatomen, de katalysator versnelt een reactie om kooldioxide om te zetten in koolmonoxide - de eerste stap bij het maken van brandstoffen en nuttige chemicaliën uit CO ₂ .

De resultaten vertegenwoordigen een belangrijke stap in de richting van eenwording van het begrip van katalytische reacties in deze twee zeer verschillende omstandigheden met verschillende drijvende krachten in het spel, zei Thomas Jaramillo, professor aan SLAC en Stanford en directeur van het SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis, waar het onderzoek plaatsvond.

"Dit is een zeldzaamheid in ons vakgebied, " zei hij. "Het feit dat we het in één kader konden samenbrengen om naar hetzelfde materiaal te kijken, maakt dit werk speciaal, en het opent een geheel nieuwe weg om op een veel bredere manier naar katalysatoren te kijken."

De resultaten verklaren ook hoe de nieuwe katalysator deze sleutelreactie sneller aanstuurt bij gebruik in een elektrochemische reactor, aldus het onderzoeksteam. Hun rapport verscheen in de gedrukte editie van Angewandte Chemie deze week.

Op weg naar een duurzame chemietoekomst

Manieren vinden om CO . te transformeren ₂ in chemicaliën, brandstoffen, en andere producten, van methanol tot plastic en synthetisch aardgas, is een belangrijk aandachtspunt van SUNCAT-onderzoek. Als dit op grote schaal wordt gedaan met behulp van hernieuwbare energie, het zou marktprikkels kunnen creëren om het broeikasgas te recyclen. Dit vereist een nieuwe generatie katalysatoren en processen om deze transformaties goedkoop en efficiënt op industriële schaal uit te voeren - en om die ontdekkingen te doen, zijn nieuwe ideeën nodig.

Op zoek naar nieuwe richtingen, SUNCAT vormde een team van Ph.D. studenten met drie onderzoeksgroepen op de afdeling chemische technologie van Stanford:Sindhu Nathan van de groep van professor Stacey Bent, wiens onderzoek zich richt op door warmte aangedreven katalytische reacties, en David Koshy, die mede wordt geadviseerd door Jaramillo en professor Zhenan Bao en zich heeft gericht op elektrochemische reacties.

Nathan's werk was gericht op het begrijpen van door warmte aangedreven katalytische reacties op een fundamentele, atomair niveau.

"Hittegestuurde reacties zijn wat nu veel wordt gebruikt in de industrie, ' zei ze. 'En voor sommige reacties, een door warmte aangedreven proces zou een uitdaging zijn om te implementeren omdat het zeer hoge temperaturen en drukken kan vereisen om de gewenste reactie te laten plaatsvinden."

Het aansturen van reacties met elektriciteit zou sommige transformaties efficiënter kunnen maken, Koshy zei, "omdat je de boel niet hoeft op te warmen, en je kunt ook reactoren en andere componenten kleiner maken, goedkoper en meer modulair, en bovendien is het een goede manier om te profiteren van hernieuwbare bronnen."

Wetenschappers die deze twee soorten reacties bestuderen, werken parallel en hebben zelden interactie, dus hebben ze niet veel mogelijkheden om inzichten van elkaar te krijgen die hen zouden kunnen helpen om effectievere katalysatoren te ontwerpen.

Maar als de twee kampen aan dezelfde katalysator zouden kunnen werken, het zou een basis vormen voor het verenigen van hun begrip van reactiemechanismen in beide omgevingen, zei Jaramillo. "We hadden theoretische redenen om te denken dat dezelfde katalysator zou werken in beide reeksen reactieomstandigheden, " hij zei, "maar dit idee was niet getest."

Een nieuwe weg voor het ontdekken van katalysatoren

Voor hun experimenten, het team koos een onlangs door Koshy gesynthetiseerde katalysator genaamd NiPACN. De actieve delen van de katalysator - de plaatsen waar het passerende moleculen grijpt, zorgt ervoor dat ze reageren en laat de producten vrij - bestaande uit individuele nikkelatomen gebonden aan stikstofatomen die verspreid zijn door het koolstofmateriaal. Koshy's onderzoek had al uitgewezen dat NiPACN bepaalde elektrochemische reacties met hoge efficiëntie kan aansturen. Zou het hetzelfde kunnen doen onder thermische omstandigheden?

Om deze vraag te beantwoorden, het team nam de poedervormige katalysator mee naar SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL). Ze werkten samen met Distinguished Staff Scientist Simon Bare om een ​​kleine reactor te ontwikkelen waarin de katalysator een reactie tussen waterstof en koolstofdioxide bij hoge temperaturen en druk kon versnellen. Door de opstelling konden ze röntgenstralen door een raam in de reactie laten schijnen en de reactie zien verlopen.

Vooral, ze wilden zien of de barre omstandigheden in de reactor de katalysator veranderden omdat het de reactie tussen waterstof en CO . vergemakkelijkte ₂ .

"Mensen zouden kunnen zeggen, hoe weet je dat de atomaire structuur niet is veranderd, waardoor dit een iets andere katalysator is dan de katalysator die we eerder hadden getest in elektrochemische reacties?" zei Koshy. "We moesten aantonen dat de nikkelreactiecentra er nog steeds hetzelfde uitzien als de reactie is voltooid."

Dat is precies wat ze ontdekten toen ze de katalysator voor en na de reactie met röntgenstralen en transmissie-elektronenmicroscopie in atomaire details onderzochten.

Vooruit gaan, het onderzoeksteam schreef, studies zoals deze zullen essentieel zijn voor het verenigen van de studie van katalytische verschijnselen in reactieomgevingen, wat uiteindelijk de inspanningen zal versterken om nieuwe katalysatoren te ontdekken voor de transformatie van de brandstof- en chemische industrie.