Niet-thermisch plasma (NTP) wordt gebruikt om CO₂ . te activeren moleculen voor hydrogenering tot alternatieve brandstoffen bij lage temperaturen, waardoor ook de omzetting van hernieuwbare elektriciteit in chemische energie mogelijk wordt. Onderzoekers van Tokyo Tech combineerden experimentele en computationele methoden om de hydrogeneringsroute van door NTP bevorderd CO₂ te onderzoeken op het oppervlak van Pd₂ Ga/SiO₂ katalysatoren. De mechanistische inzichten uit hun onderzoek kunnen helpen de efficiëntie van katalytische hydrogenering van CO₂ te verbeteren en stelt de ingenieurs in staat om nieuwe conceptkatalysatoren te ontwerpen.

Klimaatverandering versneld door overtollige CO₂ uitstoot is de afgelopen jaren een belangrijk punt van zorg geweest. Om dit probleem aan te pakken, zijn technologieën die niet alleen overtollige CO₂ . kunnen verminderen en verwijderen emissies, maar ook om ze om te zetten in chemicaliën met toegevoegde waarde, worden ontwikkeld. Een dergelijke methode is de hydrogenering van CO₂ hernieuwbare waterstof gebruiken om alternatieve brandstoffen te produceren.

In de loop der jaren zijn er verschillende strategieën ontwikkeld om CO₂ . te verbeteren hydrogenering in aanwezigheid van metallische katalysatoren. De meest veelbelovende daarvan is niet-thermisch plasma (NTP). Het bevordert de hydrogenering van CO₂ zelfs bij lage temperaturen voorbij de thermodynamische limiet zonder de metallische katalysatoren te deactiveren, die kwetsbaar zijn voor hogere temperaturen. Ondanks de toenemende populariteit van deze techniek, zijn de interacties tussen de NTP-geactiveerde soorten en metallische katalysatoren nog steeds niet goed begrepen.

Een team van onderzoekers van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, onder leiding van prof. Tomohiro Nozaki, bedacht een studie om deze lacune in begrip te overbruggen. In hun recente doorbraak, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , onthulden de onderzoekers de reactiedynamiek voor NTP-geassisteerde CO₂ hydrogenering op het oppervlak van Pd₂ Ga/SiO₂ legeringskatalysatoren die leiden tot de vorming van formiaat.

"Reactiemechanismen zoals Eley-Rideal of ER-route zijn voorgesteld om efficiënte CO₂ te verklaren omzetting bij lagere temperaturen en de activeringsenergie voor deze reactie neemt drastisch af. Bovendien produceert NTP een grote hoeveelheid vibrerend geactiveerd CO₂ wat de sleutel is tot het verbeteren van CO₂ conversie voorbij het thermische evenwicht", legt prof. Nozaki uit.

Het team onderzocht de reacties tussen NTP geactiveerd CO₂ en Pd₂ Ga/SiO₂ legeringskatalysatoren in een ontladingsreactor met diëlektrische barrière met gefluïdiseerd bed (Figuur 1 en video's) en vergeleken met conventionele thermische katalyse. Uit de resultaten bleek dat de CO₂ omzetting in formaat was meer dan tweevoudig in het geval van NTP-geassisteerde hydrogenering in vergelijking met thermische omzetting. Om de mechanica van de genoemde conversie verder vast te stellen, hebben de wetenschappers in situ spectroscopische analyse en dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen aangenomen.

The results revealed that the NTP activation gave rise to vibrationally excited CO₂ molecules that directly react with hydrogen atoms adsorbed by the Pd sites on the catalyst via the E-R pathway. One of the O atoms from the reacted species then got adsorbed at the neighboring Ga site resulting in the formation of monodentate-formate or m-HCOO. The DFT calculations also deduced a decomposition pathway for the same m-HCOO species.

This experimental-theoretical study showed that NTP can promote CO₂ hydrogenation to limits those conventional thermal methods can hardly reach. It also provided mechanistic insights into NTP activated CO₂ and catalyst interaction, which can be utilized to develop better catalysts and improve the hydrogenation process. "With our research, we wanted to accelerate the waste to wealth initiative. Capturing CO₂ and using it as feedstock for synthesis of fuels and valuable chemicals will not only help us deal with climate problem but also slow down fossil fuel depletion to some extent," concludes Prof. Nozaki. + Explore further

Caught in the act:Key chemical intermediates in pollutant-to-fuel reaction identified