Практически все химическое и топливное производство основано на катализаторах, которые ускоряют химические реакции. Большинство этих реакций происходит в огромных реакторах и может потребовать высоких температур и давлений.
Ученые работают над альтернативными способами управления этими реакциями с помощью электричества, а не тепла. Это потенциально могло бы позволить дешевое, эффективное, распределенное производство, работающее на возобновляемых источниках электроэнергии.
Но исследователи, специализирующиеся на этих двух подходах — тепло против электричества — обычно работают независимо, разрабатывая разные типы катализаторов, адаптированные к их конкретным реакционным условиям.
Новое направление исследований призвано изменить это. Ученые из Стэнфордского университета и Национальной ускорительной лаборатории SLAC Министерства энергетики сообщили, что они создали новый катализатор, который работает либо с теплом, либо с электричеством. Основанный на атомах никеля, катализатор ускоряет реакцию превращения диоксида углерода в монооксид углерода — первый шаг в производстве топлива и полезных химикатов из CO 2 .
Результаты представляют собой важный шаг на пути к объединению понимания каталитических реакций в этих двух очень разных условиях с различными действующими движущими силами, — сказал Томас Джарамилло, профессор SLAC и Стэнфордского университета и директор SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis, где проводятся исследования.
«Это большая редкость в нашей области», — сказал он. «Тот факт, что мы могли объединить все это в единую структуру, чтобы рассмотреть один и тот же материал, — вот что делает эту работу особенной, и это открывает совершенно новые возможности для более широкого взгляда на катализаторы».
По словам исследовательской группы, результаты также объясняют, как новый катализатор ускоряет эту ключевую реакцию при использовании в электрохимическом реакторе. Их отчет появился на этой неделе в печатном издании Angewandte Chemie .
К устойчивому будущему химии
Поиск способов превращения CO 2 в химические вещества, топливо и другие продукты, от метанола до пластмасс и синтетического природного газа, является одним из основных направлений исследований SUNCAT. Если это будет сделано в больших масштабах с использованием возобновляемых источников энергии, это может создать рыночные стимулы для утилизации парниковых газов. Это потребует нового поколения катализаторов и процессов для проведения этих преобразований дешево и эффективно в промышленных масштабах, а для этих открытий потребуются новые идеи.
В поисках новых направлений SUNCAT сформировал команду аспирантов, в которую вошли три исследовательские группы факультета химической инженерии Стэнфорда: Синдху Натан из группы профессора Стейси Бент, чьи исследования сосредоточены на каталитических реакциях, вызванных нагреванием, и Дэвида Коши, который Советовал Jaramillo и профессор Zhenan Bao и был сосредоточен на электрохимических реакциях.
Работа Натана была направлена на понимание тепловых каталитических реакций на фундаментальном, атомном уровне.
«Тепловые реакции — это то, что сейчас обычно используется в промышленности», — сказала она. «А для некоторых реакций процесс, управляемый теплом, будет сложно реализовать, потому что для протекания желаемой реакции могут потребоваться очень высокие температуры и давления».
По словам Коши, управление реакциями с помощью электричества может сделать некоторые преобразования более эффективными, «потому что вам не нужно нагревать вещи, и вы также можете сделать реакторы и другие компоненты меньше, дешевле и более модульными — плюс это хороший способ воспользоваться преимуществами. возобновляемых ресурсов ».
Ученые, изучающие эти два типа реакций, работают параллельно и редко взаимодействуют друг с другом, поэтому у них не так много возможностей узнать друг от друга, что могло бы помочь им разработать более эффективные катализаторы.
Но если два лагеря смогут работать на одном катализаторе, это создаст основу для объединения их понимания механизмов реакции в обеих средах, сказал Харамилло. «У нас были теоретические основания полагать, что один и тот же катализатор будет работать в обоих наборах условий реакции, — сказал он, — но эта идея не была проверена».
На этой иллюстрации показан один из активных центров нового катализатора, который ускоряет первый шаг в производстве топлива и полезных химикатов из диоксида углерода. Активные центры состоят из атомов никеля (зеленый), связанных с атомами азота (синий) и разбросанных по углеродному материалу (серый). Исследователи SLAC и Стэнфорда обнаружили, что этот катализатор, называемый NiPACN, работает в реакциях, вызываемых теплом или электричеством, что является важным шагом на пути к объединению понимания каталитических реакций в этих двух очень разных реакционных средах. (Грег Стюарт / Национальная ускорительная лаборатория SLAC)
Новый путь к открытию катализаторов
Чтобы ответить на этот вопрос, команда поместила порошковый катализатор в Стэнфордский источник синхротронного излучения SLAC. Они работали с выдающимся штатным ученым Саймоном Бэром над разработкой крошечного реактора, в котором катализатор мог бы ускорить реакцию между водородом и углекислым газом при высоких температурах и давлении. Установка позволяла им направлять рентгеновские лучи на реакцию через окно и наблюдать за реакцией. Для своих экспериментов команда выбрала катализатор, который недавно синтезировал Коши, под названием NiPACN. Активные части катализатора — места, где он захватывает проходящие молекулы, заставляет их реагировать и выделять продукты — состоят из отдельных атомов никеля, связанных с атомами азота, которые разбросаны по углеродному материалу. Исследования Коши уже определили, что NiPACN может управлять определенными электрохимическими реакциями с высокой эффективностью. Может ли он делать то же самое в тепловых условиях?
В частности, они хотели посмотреть, изменили ли суровые условия внутри реактора катализатор, поскольку он облегчает реакцию между водородом и CO 2 .
«Люди могут спросить, откуда вы знаете, что атомная структура не изменилась, что сделало этот катализатор немного другим, чем тот, который мы ранее тестировали в электрохимических реакциях?» — сказал Коши. «Мы должны были показать, что реакционные центры никеля по-прежнему выглядят так же, когда реакция завершена».
Это именно то, что они обнаружили, когда исследовали атомные детали катализатора до и после реакции с помощью рентгеновских лучей и просвечивающей электронной микроскопии.
В дальнейшем, как писала исследовательская группа, исследования, подобные этому, будут иметь важное значение для унификации изучения каталитических явлений в реакционных средах, что в конечном итоге поддержит усилия по открытию новых катализаторов для преобразования топливной и химической промышленности.
SLAC — это динамичная многопрограммная лаборатория, которая исследует, как устроена Вселенная, в самых больших, малых и самых быстрых масштабах и изобретает мощные инструменты, используемые учеными по всему миру.
SLAC находится в ведении Стэнфордского университета при Управлении науки Министерства энергетики США .
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК