Katalyse is een van de sleuteltechnologieën in de chemische industrie en heeft een verreikende impact op verschillende aspecten van ons dagelijks leven, waaronder de productie van kunststoffen, de synthese van medicijnen en de productie van zowel meststoffen als brandstoffen. Er wordt geschat dat meer dan 90% van de chemische producten tegenwoordig worden vervaardigd met behulp van katalyse in ten minste één fase. Katalyse is een complex proces dat afhankelijk is van de precieze structurele controle van verschillende elementen op het kruispunt van fase(in)stabiliteiten.

Hoewel stabiele katalysatoren op lange termijn onmisbaar zijn om hoogwaardige en efficiënte reacties te bevorderen, ondergaan reactanten grote chemische veranderingen, wat leidt tot de vorming van eindproducten en gewenste producten. Bij heterogene katalyse bestaan ​​de katalysator en de reactanten in verschillende fasen.

Van de verschillende heterogene katalytische processen is droge reforming van methaan (DRM) onlangs het onderwerp van academische aandacht geworden, omdat het twee broeikasgassen omzet, methaan (CH₄ ) en kooldioxide (CO₂ ), in waterstof (H₂ ) en koolmonoxide (CO). Dit mengsel staat ook bekend als syngas en kan worden gebruikt om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen door achtereenvolgens grotere koolwaterstoffen op te bouwen via de Fischer-Tropsch-chemie.

Hoewel op nikkel en kobalt gebaseerde katalysatoren, die goedkoop zijn en in hoge mate beschikbaar zijn op aarde, veelbelovende activiteit voor DRM hebben laten zien, is het ontwerpen van hoogwaardige katalysatoren vaak een uitdaging, omdat het verband tussen de chemische dynamiek, de vorming van de actieve oppervlaktesoorten en hun reactiewegen ontbreken doorgaans. Deze kennis kan alleen worden verkregen uit zogenaamde operando-experimenten waarin structuur en functie gelijktijdig worden onderzocht.

Een gezamenlijke inspanning van wetenschappers van de afdelingen Anorganische Chemie en Theorie van het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society in Berlijn heeft fundamentele inzichten opgeleverd in de processen die plaatsvinden aan het katalysatoroppervlak en hoe dit de katalytische prestaties tijdens DRM moduleert.

De studie is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Catalysis .

In het bijzonder bestudeerde het team de rol van verschillende zuurstofsoorten op een nikkelkatalysator tijdens DRM door gebruik te maken van een combinatie van experimentele en computationele wetenschappelijke technieken, waaronder operando-scanning-elektronenmicroscopie, röntgenfoto-elektronenspectroscopie bij omgevingsdruk en computervisie. P>

Ze benadrukten de cruciale rol van dissociatief CO₂ adsorptie bij het reguleren van het zuurstofgehalte van de katalysator en CH₄ activering. Bovendien ontdekten ze de aanwezigheid van drie metastabiele zuurstofsoorten bij de katalysator:atomaire oppervlaktezuurstof, ondergrondse zuurstof en bulk NiO_x . Interessant genoeg vertoonden deze verschillende katalytische eigenschappen, en hun wisselwerking en transformatie gaven aanleiding tot oscillaties in de oppervlaktetoestanden en in de katalytische functie.

Ze merkten op dat een deel van de oppervlaktezuurstof in de katalysatormassa lekte, waardoor de beschikbaarheid van de katalysator voor CH₄ verminderde. activering en voorkeur voor CO₂ en in plaats daarvan O-diffusie.

De omvang van de lekkage werd verder bewezen door röntgenspectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie, waarbij de aanwezigheid van zuurstof enkele nanometers onder het oppervlak van de katalysatoren aan het licht kwam. Als gevolg hiervan werden nieuwe metalen locaties blootgelegd, wat leidde tot een verhoogde zuurstofopname en een afname van de H₂ /CO productverhouding.

Ten slotte begrepen ze dat co-feeding van CO₂ is essentieel voor CH₄ conversie, wat waarschijnlijk de activering ervan bevordert, samen met de aanwezigheid van zuurstofrijke soorten.

"Het was indrukwekkend om te zien hoe de metastabiliteit van het Ni-O-systeem de katalytische prestaties zelf aanpast en dat één element uit de reactanten het hele proces kan sturen, wat afhangt van de locatie en de chemie. We hopen dat onze bevindingen kunnen opleveren nieuw momentum in het aanpassen van de levensduur en selectiviteit in de katalyse”, zegt PD Dr. Thomas Lunkenbein, leider van het project en co-auteur van de studie.

Het begrijpen van de metastabiliteit van de oppervlakken van katalysatoren, naast hoe deze te controleren om de dynamische actieve toestand te stabiliseren, heeft belangrijke implicaties voor de toekomst van de katalyse. Het biedt met name inzichten die kunnen worden overgedragen naar het industriële niveau en het ontwerp van reactoren waarbij een actieve toestand met minimale energetische compromissen de voorkeur verdient.

Dit kan worden bereikt door krachtigere oxidanten te gebruiken, zoals water (H₂ O) en lachgas (N₂ O), of door te werken aan het verminderen van de zuurstoflekkage naar de bulk door middel van nanodeeltjes of dunnefilmtechnologie. De ontwikkeling van katalysatoren op basis van op maat gemaakte dunne films is de focus van CatLab, een gezamenlijk onderzoeksplatform tussen de FHI en het Helmholtz Centrum van Berlijn (HZB).

Meer informatie: Luis Sandoval-Diaz et al, Metastabiele nikkel-zuurstofsoorten moduleren snelheidsoscillaties tijdens droge reforming van methaan, Natuurkatalyse (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01090-4

Journaalinformatie: Natuurkatalyse

Aangeboden door Max Planck Society