Chemici hebben een structuur op nanoschaal ontwikkeld die koper, goud en zilver combineert om te werken als een superieure katalysator in een chemische reactie waarvan de verbeterde prestaties essentieel zullen zijn als inspanningen voor het opvangen en gebruiken van koolstof moeten helpen om de opwarming van de aarde te verminderen.

Een studie die het proces beschrijft, verscheen in het tijdschrift Nano Research op 15 maart.

In het licht van de uitdaging van de klimaatverandering hebben beleidsmakers zich de afgelopen jaren steeds meer gericht op koolstofafvang en -gebruik (CCU), waarbij CO₂ wordt uit de atmosfeer gehaald en vervolgens gebruikt als grondstof voor industriële chemicaliën (zoals koolmonoxide, mierenzuur, ethyleen en ethanol) of voor de productie van koolstofneutrale synthetische brandstoffen (vooral nuttig voor moeilijk te elektrificeren transportsectoren zoals langeafstandsluchtvaart en scheepvaart). Zolang het laatste proces wordt aangedreven door schone elektriciteit, biedt het ook een manier om hernieuwbare energie op de lange termijn op te slaan - de heilige graal van het overwinnen van de intermitterende energie-opties zoals wind- en zonne-energie.

Een mogelijke manier om dit te doen is via een chemische reactie die de elektrochemische CO₂ . wordt genoemd reductiereactie (eCO₂ RR, of gewoon ECR). Deze gebruikt elektriciteit om de omzetting van het gas in andere bruikbare stoffen aan te drijven door CO₂ . af te scheiden koolstofatomen van zijn zuurstofatomen. Water kan ook waterstof "donoren" leveren in sommige varianten van ECR, waarbij de koolstofatomen worden gecombineerd met waterstof om verschillende soorten koolwaterstoffen of alcoholen te produceren.

De sleutel tot ECR is het gebruik van de juiste katalysator, of chemische stof waarvan de structuur en lading het mogelijk maakt om een ​​chemische reactie op gang te brengen of te versnellen. Er zijn verschillende metalen gebruikt als katalysatoren, afhankelijk van welk eindproduct gewenst is. Katalysatoren die slechts één type metaal gebruiken, zijn onder meer tin om mierenzuur te produceren, zilver voor koolmonoxide (CO) en koper voor methaan, ethyleen of ethanol.

De prestatie van het proces kan echter beperkt zijn wanneer ECR concurreert met de neiging van waterstofatomen binnen de elektrochemische splitsing van water om zich aan zichzelf te koppelen in plaats van zich aan te sluiten bij de koolstofatomen. Deze concurrentie kan leiden tot productie (of "selectie") van een ander chemisch eindproduct dan gewenst. Als gevolg hiervan zijn chemici al lang op zoek naar katalysatoren met een hoge "selectiviteit".

Onlangs hebben onderzoekers, in plaats van slechts een enkel metaal als katalysator te gebruiken, overgegaan op het gebruik van heterostructuren die twee verschillende materialen bevatten waarvan de gecombineerde eigenschappen verschillende of superieure resultaten opleveren voor elk van de afzonderlijke materialen op zich.

Enkele van de heterostructuren die op ECR zijn getest, omvatten het combineren van zilver en palladium in een vertakte formatie (AgPd "nanodentrites") en verschillende andere combinaties van twee metalen in sandwichachtige, buisachtige, piramidale en andere vormen. Onderzoekers hebben veel succes geboekt met bimetaal heterostructuren die koper bevatten, wat erg goed is in het omzetten van CO₂ in producten die twee koolstofatomen gebruiken. Deze bimetaal heterostructuren omvatten zilver-koper (AgCu), zink-koper (ZnCu) en goud-koper (AuCu), waarbij de laatste een bijzonder selectiviteitssucces heeft voor methaan, C₂ en koolmonoxide.

"We dachten dat als twee metalen goede resultaten zouden opleveren, drie metalen misschien nog beter zouden zijn", zegt Zhicheng Zhang, een nanochemicus aan de Tianjin University en co-auteur van de studie.

Dus construeerden de onderzoekers een trimetallische nanostructuur die goud, zilver en koper combineerde en asymmetrisch van vorm was. De vorm en precieze verhouding van de drie metalen kunnen worden gewijzigd via een groeimethode die meerdere stappen omvat. In het bijzonder worden gouden "nanopyramiden" eerst gesynthetiseerd en gebruikt als "zaden" voor de daaropvolgende groei van verschillende trimetaalstructuren met verschillende verhoudingen van de drie metalen.

Ze ontdekten als resultaat van de unieke vorm van hun heterostructuurontwerp en door de verhoudingen van deze drie metalen te veranderen, konden ze de selectiviteit zorgvuldig afstemmen op verschillende C₂ -gebaseerde producten. Productie van ethanol (C₂ H₆ O) in het bijzonder werd gemaximaliseerd door een heterostructuur te gebruiken waarbij de voedingsverhouding één atoom van goud en zilver omvatte, gecombineerd met vijf koperatomen.

Het werk schetst een veelbelovende strategie voor de ontwikkeling van andere trimetallische nanomaterialen binnen ECR-ontwikkeling. + Verder verkennen

Superselectieve katalysatoren sleutel tot koolstofconversie