Een internationale samenwerking van wetenschappers heeft een belangrijke stap gezet in de richting van de realisatie van een bijna "groene" nul-net-koolstoftechnologie die koolstofdioxide efficiënt zal omzetten, een belangrijk broeikasgas, en waterstof in ethanol, die nuttig is als brandstof en vele andere chemische toepassingen heeft. De studie rapporteert een "routekaart" voor het succesvol navigeren door deze uitdagende reactie en geeft een beeld van de volledige reactiereeks met behulp van theoretische modellering en experimentele karakterisering.

Onder leiding van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de groep besloot dat het brengen van cesium, koper, en zinkoxide samen in een configuratie met nauw contact katalyseert een reactiepad dat koolstofdioxide (CO ₂ ) in ethanol (C2H6O). Ze ontdekten ook waarom deze driedelige interface succesvol is. De studie, die wordt beschreven in een paper in de online editie van 23 juli van de Tijdschrift van de American Chemical Society en staat op de omslag van de publicatie, zal verder onderzoek stimuleren naar de ontwikkeling van een praktische industriële katalysator voor het selectief omzetten van CO ₂ in ethanol. Dergelijke processen zullen leiden tot technologieën die in staat zijn om CO . te recyclen ₂ uitgestoten door verbranding en omzetten in bruikbare chemicaliën of brandstoffen.

Geen van de drie componenten die in het onderzoek zijn onderzocht, is in staat om de CO . individueel te katalyseren ₂ -naar-ethanol conversie, noch kunnen ze in paren. Maar wanneer het trio in een bepaalde configuratie wordt samengebracht, de regio waar ze elkaar ontmoeten opent een nieuwe route voor de vorming van koolstof-koolstofbindingen die de omzetting van CO ₂ naar ethanol mogelijk. De sleutel hiervoor is het goed afgestemde samenspel tussen het cesium, koper, en zinkoxideplaatsen.

"Er is veel werk verricht aan de omzetting van kooldioxide in methanol, toch heeft ethanol veel voordelen ten opzichte van methanol. Als brandstof, ethanol is veiliger en krachtiger. Maar de synthese ervan is zeer uitdagend vanwege de complexiteit van de reactie en de moeilijkheid om de vorming van CC-bindingen te beheersen, " zei de corresponderende onderzoeker van de studie, Brookhaven-chemicus Ping Liu. "We weten nu wat voor soort configuratie nodig is om de transformatie te maken, en de rollen die elke component speelt tijdens de reactie. Het is een grote doorbraak."

Het grensvlak wordt gevormd door kleine hoeveelheden koper en cesium af te zetten op een oppervlak van zinkoxide. Om de regio's te bestuderen waar de drie materialen elkaar ontmoeten, de groep wendde zich tot een röntgentechniek genaamd röntgenfoto-emissiespectroscopie, die een waarschijnlijke verandering in het reactiemechanisme voor CO . liet zien ₂ hydrogenering wanneer cesium werd toegevoegd. Meer details werden onthuld met behulp van twee veelgebruikte theoretische benaderingen:"density functional theory"-berekeningen, een computationele modelleringsmethode om de structuren van materialen te onderzoeken, en "kinetische Monte Carlo-simulatie, " computersimulatie om de reactiekinetiek te simuleren. Voor dit werk, de groep gebruikte de computerbronnen van Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials en Lawrence Berkeley National Laboratory's National Energy Research Scientific Computing Center, beide DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten.

Een van de dingen die ze van de modellering hebben geleerd, is dat het cesium een ​​essentieel onderdeel is van het actieve systeem. Zonder zijn aanwezigheid, ethanol kan niet worden gemaakt. In aanvulling, een goede afstemming met koper en zinkoxide is ook belangrijk. Maar er valt nog veel meer te leren.

"Er zijn veel uitdagingen die moeten worden overwonnen voordat we tot een industrieel proces komen dat koolstofdioxide kan omzetten in bruikbare ethanol, " zei Brookhaven-chemicus José Rodriguez, die aan het werk hebben deelgenomen. "Bijvoorbeeld, er moet een duidelijke manier zijn om de selectiviteit voor de productie van ethanol te verbeteren. Een belangrijk punt is het begrijpen van het verband tussen de aard van de katalysator en het reactiemechanisme; deze studie bevindt zich in de frontlinie van die inspanning. We streven naar een fundamenteel begrip van het proces."

Een ander doel van dit onderzoeksgebied is het vinden van een ideale katalysator voor CO ₂ conversie naar "hogere" alcoholen, die twee of meer koolstofatomen hebben (ethanol heeft er twee) en zijn, daarom, nuttiger en wenselijker voor industriële toepassingen en de productie van basisgoederen. De in dit werk bestudeerde katalysator is voordelig omdat op koper en zinkoxide gebaseerde katalysatoren al wijdverbreid zijn in de chemische industrie en worden gebruikt in katalytische processen zoals methanolsynthese uit CO ₂ .

De onderzoekers hebben vervolgstudies gepland bij Brookhaven's National Synchrotron Light Source II, ook een DOE Office of Science User Facility, die een unieke reeks hulpmiddelen en technieken biedt voor de karakterisering van katalysatoren onder werkomstandigheden. Daar, ze zullen het Cu-Cs-ZnO-systeem en katalysatoren met een andere samenstelling nader onderzoeken.