Zoals elk autokerkhof ruimschoots laat zien, ijzer is vatbaar voor roest tot ijzeroxide. Maar juist deze reactiviteit maakt ijzer en zijn verbindingen ook nuttige hulpmiddelen voor het opnieuw uitvinden van chemische transformaties.

Overvloedig ijzeroxide dat wordt gebruikt om metalen te helpen koolstofdioxide om te zetten in bruikbare producten, zou tegelijkertijd de uitstoot verminderen en waarde toevoegen aan afvalstromen.

Huidige methoden om metaaloxidekatalysatoren te bereiden, de werkpaarden van chemische transformaties, vereisen hoge temperaturen en drukken. Daarom worden chemici van PNNL aangemoedigd door de resultaten van hun nieuwe studie die in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie .

Het onderzoek beschrijft een nieuwe techniek die met ijzeroxide gecoate metalen nanodeeltjes produceert op vast ijzeroxide, in één stap, bij bijna kamertemperatuur. Deze materialen vertonen een hoge activiteit voor de omzetting van kooldioxide in koolmonoxide, een van de componenten van een belangrijke brandstof en chemische bron, syngas genaamd.

Inverse katalysatoren als een next-gen benadering van energieconversie

De nieuwe techniek zet de traditionele benadering van chemische conversie op zijn kop. Terwijl de meeste industriële katalysatoren het oxide alleen als ondersteunende structuur gebruiken, deze op ijzeroxide gebaseerde nanodeeltjeskatalysatoren worden omgedraaid of "omgekeerd". Naast het bieden van ondersteuning, het reactieve ijzer komt tijdens de synthese vrij van het oppervlak en zet zich weer af op de vaste stof, vormen een coating op de metalen nanodeeltjes.

Inverse katalysatoren worden niet commercieel gebruikt omdat ze meestal moeilijk te maken en in grote hoeveelheden te produceren zijn. Als de technische hindernissen konden worden overwonnen, wat in dit onderzoek mogelijk is gebleken, inverse katalysatoren zouden uitstekende instrumenten zijn om afvalkooldioxide om te zetten in chemische grondstoffen - de grondstoffen die in veel andere industriële processen worden gebruikt.

"Onze bevindingen leveren bewijs dat deze inverse katalysatoren een dwingende katalytische reactiviteit hebben onder milde reactieomstandigheden vanwege de ijzeroxidecoating, " zei Oliver Gutierrez, een PNNL-chemicus die hielp bij het leiden van het onderzoeksproject. "De techniek is veelzijdig en eenvoudig schaalbaar."

"We willen waarde toevoegen aan koolstofdioxide om te voorkomen dat het in de atmosfeer wordt gedumpt, "voegde hij eraan toe. "Als het wordt opgeschaald naar de industrie, dit zou van toepassing kunnen zijn op elk bedrijf met koolstofdioxide-afval."

Nanodeeltjes sieren het oppervlak van de nieuwe katalysator

De nieuwe bereidingsmethode maakt gebruik van de inherente reactiviteit van ijzeroxide om enkele belangrijke nieuwe eigenschappen te verlenen aan de metalen nanodeeltjes op de metaaloxidedrager.

"We observeerden ijzerionen die vanuit het ondersteunende ijzeroxide circuleerden, naar de wateroplossing, om tijdens onze synthese terug te keren naar de vaste stof op het oppervlak van de nanodeeltjes, "zei Gutiérrez. "Dat is nieuw. De ijzeroxide coating is samen met het metalen oppervlak zeer reactief, het gebied dat beschikbaar is voor de katalytische reactie aanzienlijk vergroten."

IJzerchemie bootst na wat er in de aarde wordt gezien

De bevinding belicht ook de natuurlijke processen die ijzer, het vierde meest voorkomende element in de aardkorst, overuren.

"Het grensvlak tussen ijzer en mineraalwater is belangrijk in de ondergrondse wetenschap, " zei Kevin Rosso, een geochemicus en Lab Fellow bij PNNL, die ook aan het werk heeft meegewerkt. "De twee belangrijkste oxidatietoestanden van ijzer vormen samen een dynamische interface, en dit speelt een grote rol in beide instellingen. Wat we hier ontdekten in de setting van katalyse kan ons ook helpen om geochemisch metaaltransport in de ondergrond te begrijpen."

Syngas potentieel

Nadat de katalysator was bereid, de wetenschappers voerden experimenten uit die aantoonden dat de inverse katalysator koolstofdioxide efficiënt kon omzetten in koolmonoxide, een onderdeel van syngas - een veelzijdige grondstof voor de chemische industrie.

"Met de oxidecoating, we lieten het hele oppervlak van het op ijzer gebaseerde nanodeeltje zich gedragen als een interface, "zei Gutiérrez. "Daardoor kon ons systeem een ​​orde van grootte verbeteren in selectieve chemische omzetting in koolmonoxide ten opzichte van nanodeeltjeskatalysatoren die uitsluitend op edele metalen zijn gebaseerd."

Nu onderzoekt het team het afstemmen van de metalen nanodeeltjes voor verschillende reacties en om de chemie op dit reactie-interface beter te begrijpen.