0

Ученые показывают, как управлять катализатором, который превращает парниковый газ в топливо или сырье

Образование продуктов через формиат

Зеленые стрелки показывают ключевые стадии контроля конечных продуктов реакции: метана или окиси углерода. Скотт Батнер

Что если бы мы могли превратить углекислый газ, CO2, в ценный ресурс? Использование CO2 в качестве сырья для создания топлива или других химических веществ будет способствовать экономическим и экологическим выгодам. Задача заключается в разработке эффективных процессов, которые дают только желаемый продукт: метан или окись углерода. Почему? У ученых не было четкого понимания основных этапов механизма реакции. Ученые из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории во главе с доктором Яношем Шани определили, что формиат (HCOO-), часто игнорируемый ион, является критически важным промежуточным звеном в общем процессе конверсии СО2. Баланс в пересчете на конверсию промежуточных соединений формиата и монооксида углерода определяет, какие химические вещества производятся.

«Это исследование дает нам важную информацию об использовании легкодоступного сырья, CO2, и превращении его в нечто полезное — химическое промежуточное звено, монооксид углерода, или энергетический носитель — метан. Этот промежуточный продукт можно использовать для получения более тяжёлых углеводородов, или топлива «, говорит Шани.

В течение многих лет некоторые считали формиат не более чем наблюдателем, молекулой, которая не способствовала реакции. Теперь команда показала, что формиат действительно жизненно важен. Понимание шагов и роли формиата позволяет ученым разработать селективный катализатор, который позволяет получить требуемые продукты. Понимание шагов реакции дает ученым важную информацию для контроля реакции. Кроме того, работа заканчивает давние споры о роли формиатов на поверхности катализатора.

В этом исследовании команда из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории определила факторы, которые контролируют селективность катализатора для гидрогенизации СО2 до окиси углерода или метана. Они использовали новую комбинацию экспериментов FIDR и SSITKA (Фурье-трансформация инфракрасной спектроскопии / стационарный изотопический переходный кинетический анализ).

Они определили поведение ключевых промежуточных продуктов (формиатов и окиси углерода) на поверхности катализатора. Для образования монооксида углерода лимитирующей стадией является конверсия или восстановление адсорбированного формиата на границе раздела металлического палладия и подложки из оксида алюминия. Для образования метана,  лимитирующей стадией (см. зеленые стрелки на рисунке) является присоединение водорода к адсорбированному моноксиду углерода. Баланс между скоростями восстановления абсорбированного формиата и метанирования окиси углерода определяет селективность катализатора. То есть селективность вращается вокруг того, насколько быстро промежуточные продукты на поверхности забирают водород, создавая либо монооксид углерода, либо метан.

Определив ключевые аспекты реакции, команда разработала три катализатора с различным распределением палладия. Количество палладия на поверхности, как они обнаружили, является еще одним важным аспектом, влияющим на то, какой продукт будет получен. Катализатор с наименьшим содержанием палладия давал как монооксид углерода, так и метан с более высокой селективностью по отношению к монооксиду углерода. Напротив, более чем 80%-я селективность по отношению к образованию метана наблюдалась над катализатором с наибольшим содержанием металла.

Команда теперь модифицирует среду вокруг активного центра катализатора, чтобы улучшить его селективность. Эта работа направлена ​​на сокращение объема нежелательных продуктов. Кроме того, команда разрабатывает методы подготовки одноатомных катализаторов для повышения эффективности использования драгоценных металлов.

Узнать больше: Xiang Wang et al. Controlling selectivities in CO2 reduction through mechanistic understanding, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-00558-9

Добавлено в: Новости
Яндекс.Метрика Правильный CSS!
© 2014 Химия, опыты, эксперименты! In-chemistry.ru