Wetenschap
Nieuwe fotokatalysator om de decarbonisatie en andere chemische reacties te verbeteren
Het gebruik van broeikasgassen is een van de meest populaire richtingen van de mondiale trend naar het koolstofvrij maken – het verkleinen van de CO2-voetafdruk van productie en menselijke activiteiten. Bij het proces van het omzetten van koolstofdioxide in methaan zijn de belangrijkste katalysatoren die tegenwoordig worden gebruikt goud, platina en palladium, die duur en complex zijn.
Een onderzoeksgroep van Skoltech, het Boreskov Instituut voor Katalyse (Siberische tak van de Russische Academie van Wetenschappen) en de Polytechnische Universiteit van Tomsk voerden een experiment uit en bewees dat een nieuwe fotokatalysator gebaseerd op WB5-x -WB2 wolfraamboride en TiO2 Titaandioxide kan concurreren met edelmetalen. Het verhoogt de efficiëntie van chemische reacties aanzienlijk en is veel goedkoper dan de katalysatoren die tegenwoordig worden gebruikt.
De resultaten worden gepresenteerd in een nieuwe studie in de Applied Surface Science dagboek.
WB5-x , wolfraampentaboride, werd eerder gesynthetiseerd als een goedkoper alternatief voor diamantslijpers die worden gebruikt op boorapparatuur in de olie- en gasindustrie.
Skoltech-professoren Alexander Kvashnin van het Energy Transition Center en Artem R. Oganov, hoofd van het Material Discovery Laboratory, en hun collega's maakten gebruik van een machine-algoritme dat de stabiliteit van WB5 voorspelde, en verkregen vervolgens monsters door wolfraam en boor te sinteren in een -7-verhouding bij temperaturen tot 1.500 graden Celsius en drukken tot 7 gigapascal.
De methode voor het synthetiseren van superhard wolfraampentaboride werd vervolgens verfijnd in samenwerking met de Polytechnische Universiteit van Tomsk, waardoor de productie efficiënter en economischer werd.
"We hebben eigenschappen geïdentificeerd waardoor we konden aannemen dat wolfraampentaboride niet alleen veelbelovend is voor de olieproductie, maar ook een goede katalysator kan worden. In het verleden kenden we alleen de kristalstructuur, stabiliteitsinformatie en mechanische eigenschappen van het materiaal.
"We hebben veel moeite gedaan om de adsorptie- en katalytische eigenschappen van wolfraampentaboride te voorspellen door middel van computermodellen en de reactiebarrières te berekenen. Vervolgens wendden we ons tot onze collega's, die de resultaten experimenteel bevestigden", zegt Aleksandra Radina, een mede-onderzoeker. auteur en een Ph.D. student aan het Materials Science-programma van Skoltech.
Onderzoekers van de Polytechnische Universiteit van Tomsk synthetiseerden een poeder van hoger wolfraamboride met behulp van een eerder ontwikkelde technologie, terwijl hun collega's van het Boreskov Instituut voor Katalyse het gesynthetiseerde materiaal gebruikten als co-katalysator voor twee reacties:het omzetten van kooldioxide in methaan en het produceren van waterstof uit een waterige oplossing van ethanol.
Volgens de resultaten WB5-x -WB2 wolfraamboride verhoogde de efficiëntie van de eerste reactie met een factor vier en die van de tweede met een factor 23. Structurele analysemethoden zoals transmissie-elektronenmicroscopie met hoge resolutie, röntgendiffractie, röntgenfoto-elektronenspectroscopie en andere hebben de nieuwe WB5-x bevestigd -WB2 /TiO2 katalysator is verantwoordelijk voor een verhoogde reactie-efficiëntie. Studies waarbij deze analytische technieken werden gebruikt, werden uitgevoerd aan het Boreskov Instituut voor Katalyse van de Siberische afdeling van de Russische Academie van Wetenschappen.
"De simulatiegegevens toonden aan dat het hogere wolfraamboride zou moeten werken als een actief katalysatormateriaal voor de productie van waterstof uit ethanol, en de experimentele resultaten bevestigden onze voorspellingen. Omdat ons materiaal niet eerder als een katalysator is beschouwd, rijst de vraag naar het screenen van chemische processen. , waar het een effectievere katalysator zou kunnen blijken te zijn vergeleken met traditionele materialen", zegt professor Kvashnin van het Energy Transition Center van Skoltech, de leider van het onderzoek.
Zoals de auteurs opmerken, kan de nieuwe fotokatalysator niet alleen effectief zijn bij de hierboven besproken reacties. Het belangrijkste is dat het onderzoek een nieuwe richting opent voor de toepassing van materialen op basis van boriden en carbiden van overgangsmetalen, inclusief materialen met een hoge entropie.
Momenteel onderzoekt een team van drie organisaties actief het gebruik van nieuwe materialen in verschillende katalytische processen met toepassingen in fotokatalyse, petrochemie, enzovoort.