Katalysator met dubbele site transformeert Co₂ in hernieuwbare methanol

Methanol, belangrijk voor de productie van veel alledaagse goederen en voor zijn groene energiepotentieel, kan binnenkort sneller en efficiënter worden geproduceerd dankzij een samenwerking met twee onderzoekers van de Oregon State University.

Zhenxing Feng en Alvin Chang van het OSU College of Engineering hebben bijgedragen aan het karakteriseren van een nieuwe elektrokatalysator ontwikkeld door medewerkers aan de Yale University en hielp bij het verklaren van de verbeterde efficiëntie voor het afleiden van methanol aan koolstofdioxide, een broeikasgas dat grotendeels verantwoordelijk is voor de wereldwijde klimaatverandering.

De bevindingen van het onderzoek waren gepubliceerd vandaag in Nature Nanotechnology.

De dual-site katalysator van de onderzoekers is het resultaat van het combineren van twee verschillende katalytische plaatsen op aangrenzende locaties, gescheiden door ongeveer 2 nanometers, op koolstofnanobuizen en vertegenwoordigt een significante verbetering ten opzichte van eerdere katalysaties met één site.

Het nieuwe ontwerp verhoogt de productiesnelheid van methanol en resulteert in een hogere faradaische efficiëntie van 50%, wat betekent dat minder van de elektriciteit die wordt gebruikt om de reactie te katalyseren, wordt verspild. De vorige versie met één site werkte op minder dan 30%.

“Methanol is een flexibele chemische grondstof die wordt gebruikt voor honderden gemeenschappelijke producten, waaronder kunststoffen, chemicaliën en oplosmiddelen,” zei Chang, een doctoraatsstudent aan OSU. “Het is ook een veelbelovende groene brandstof die kan worden geproduceerd uit schadelijke koolstofemissies met behulp van hernieuwbare elektrische energie via een proces genaamd Electrochemical Co₂ reductie, tegelijkertijd helpen met milieu -uitdagingen en energievereisten. “

Methanol, ook bekend als houtalcohol, is een relatief schone brandende verbinding die kan worden gebruikt in brandstofcellen, als alternatief voor benzine in interne verbrandingsmotoren, en als brandstof voor schepen en elektriciteitsopwekking.

Naast koolstofdioxide, dat in de atmosfeer wordt vrijgegeven, voornamelijk door het verbranden van fossiele brandstoffen, kan methanol worden geproduceerd uit bronnen zoals agrarisch en gemeentelijk afval – het is potentieel om te helpen bij het verminderen van broeikasgasemissies en het ondersteunen van een overgang naar meer Eco-vriendelijke energiebronnen, merken de onderzoekers op.

Een katalysator is alles dat de snelheid van een chemische reactie versnelt zonder te worden geconsumeerd door de reactie, en een elektrokatalysator is een materiaal dat een elektrochemische reactie versnelt door de activeringsenergie te verlagen.

Kobaltftalocyaninemoleculen ondersteund op koolstofnanobuisjes zijn een van de weinige moleculen die de elektrochemische reductie van kooldioxide in methanol kunnen katalyseren, zei Feng, een universitair hoofddocent aan OSU. Een nadeel van de vorige generatie van deze katalysator, die kobalt tetraaminophthalocyaninemoleculen bevat als de enige actieve plaatsen, is de relatief lage selectiviteit voor methanol.

De elektrochemische koolstofdioxide -reductiereactie vindt plaats in twee delen, zei Chang. Koolstofdioxide wordt eerst omgezet in koolmonoxide, dat vervolgens wordt omgezet in methanol.

“De katalysator met één site wordt beperkt door een afweging,” zei hij. “Bij het optimale potentieel voor het katalyseren van het koolmonoxide naar methanolstap, is het niet efficiënt om koolstofdioxide te veranderen in koolmonoxide.”

Het onderzoeksteam introduceerde nikkel -tetramethoxyftyalocyanine in het systeem en ontdekte dat het kan helpen de koolstofdioxide te katalyseren tot koolmonoxide -stap, wat resulteert in een verbeterde productie van methanol.

“De hybride katalysator bleek ongekende hoge katalytische efficiëntie te vertonen, bijna 1,5 keer hoger dan eerder waargenomen,” zei Feng. “Geavanceerde vibratie- en röntgenspectroscopie onthulde dat de verbetering te wijten is aan een koolstofmonoxide-overdracht van een nikkelplaats naar een kobaltlocatie op dezelfde koolstofnanobuis.”

Hailiang Wang van Yale University leidde de studie, waaronder ook onderzoekers van de Ohio State University en de Southern University of Science and Technology in Shenzhen, China.