Katalysatoren van nanodeeltjes zetten kooldioxide om in koolmonoxide om bruikbare verbindingen te maken

Als broeikasgas is kooldioxide (CO₂) draagt ​​bij aan de klimaatverandering terwijl het zich ophoopt in de atmosfeer. Eén manier om de hoeveelheid ongewenste CO2 te verminderen₂ in de atmosfeer is om het gas om te zetten in een nuttig koolstofproduct dat kan worden gebruikt om waardevolle verbindingen te genereren.

Een recente studie bevestigde nanodeeltjes van bètafase-molybdeencarbide (β-Mo₂C) katalysatoren op siliciumdioxide (SiO₂) ondersteuning om de omzetting van CO te versnellen₂ omgezet in bruikbaarder koolmonoxidegas (CO).

CO₂ is een zeer stabiel molecuul, wat de omzetting van het broeikasgas in andere moleculen lastig maakt. Katalysatoren kunnen worden gebruikt in chemische reacties om de hoeveelheid energie te verlagen die nodig is om chemische bindingen te vormen of te verbreken, en worden gebruikt in de omgekeerde watergasverschuivingsreactie (RWGS) om CO om te zetten₂ en waterstofgas (H₂) in CO en water (H₂O).

Belangrijk is dat het CO-gas dat door de reactie wordt geproduceerd, syngas of synthesegas wordt genoemd, wanneer het wordt gecombineerd met H₂ en kan worden gebruikt als koolstofbron om andere belangrijke verbindingen te creëren.

Traditionele katalysatoren in de RWGS-reactie zijn gemaakt van edele metalen, waaronder platina (Pt), palladium (Pd) en goud (Au), wat de kostenefficiëntie van de reactie beperkt. Hierdoor worden nieuwe katalysatormaterialen en vormingsmethoden ontwikkeld om de bruikbaarheid van de RWGS-reactie als middel om de atmosferische CO te verlagen te vergroten.₂ en het genereren van syngas.

Om de kostenproblemen van traditionele RWGS-katalysatoren aan te pakken, heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign de vorming en katalytische activiteit van goedkopere nanodeeltjes β-Mo bestudeerd.₂C-katalysatoren op een SiO₂ ondersteuning om te bepalen of de goedkopere katalysator de activiteitsniveaus van β-Mo zou kunnen verhogen₂C met een silicaoxide-drager in de RWGS-reactie.

Het team publiceerde hun onderzoek in Koolstof toekomst op 30 april.

“De samenleving is op weg naar een koolstofneutrale economie. Koolstofdioxide is een broeikasgas, dus elke technologie die de koolstofoxidebinding in dit molecuul kan afbreken en koolstof kan omzetten in een chemische stof met toegevoegde waarde kan van groot belang zijn.

“Een belangrijke C1-chemische stof is koolmonoxide, een essentiële grondstof voor de productie van een reeks producten, zoals synthetische brandstoffen en vitamine A”, zegt Hong Yang, voorzitter van Alkire-professor bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie aan de Universiteit van Illinois. bij Urbana-Champaign en senior auteur van het artikel.

Concreet synthetiseerden de onderzoekers β-Mo₂C-nanodeeltjeskatalysatoren geabsorbeerd op een SiO₂ ondersteuning (β-Mo₂C/SiO₂). De amorfe structuur van het SiO₂ ondersteuning was van cruciaal belang voor de vorming van nanodeeltjes, activiteit en stabiliteit van de β-Mo₂C/SiO₂ katalysator.

Het team testte bovendien cesium (Ce), magnesium (Mg), titanium (Ti) en aluminium (Al) oxiden als potentiële dragers, maar als katalysator op SiO₂ produceerde de beste katalysatorvorming bij een temperatuur van 650°C.

“Het lijkt erop dat de ongeordende aard van amorf silica, dat zich gedraagt ​​als lijm op katalysatornanodeeltjes, een sleutelfactor is voor ons succes bij het bereiken van een hoge metaalbelasting en de bijbehorende hoge activiteit”, zegt Siying Yu, afgestudeerd student aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Wetenschappen. Engineering aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en co-auteur van het artikel.

Belangrijk is de SiO₂ katalysatorondersteuningsstructuur verbetert de katalytische activiteit van β-Mo₂C 8-voudig vergeleken met bulk β-Mo₂C. Zelfs met verbeterde katalytische activiteit blijft de β-Mo₂C/SiO₂ De katalysator vertoonde een hoge CO-omzetting en verhoogde stabiliteit in vergelijking met bulk β-Mo₂C in RWGS-reacties.

“Een belangrijke ontdekking van ons werk is een nieuw proces voor de productie van katalysatoren met een hoog metaalgehalte, gemaakt van nanodeeltjes van molybdeencarbide. Dergelijke metaalcarbide-katalysatoren zijn ontwikkeld voor het omzetten van koolstofdioxide in koolstofoxide met een hoge productiesnelheid en selectiviteit”, zegt Andrew Kuhn, voormalig afgestudeerde student aan de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en eerste auteur van het artikel.

De onderzoekers voerden hun onderzoek uit onder reactieomstandigheden die de conversie naar CO-gas bevorderden, met een H₂:CO₂ verhouding gelijk aan 1:1. Deze verhouding verschilt van de vaker geteste verhouding van minder dan 3:1.

Reacties werden ook uitgevoerd bij temperaturen tussen 300 en 600°C. Onder deze omstandigheden produceerde het team meer geconcentreerd CO, wat efficiënter is voor de stroomafwaartse synthese van verbindingen.

Het team ziet dit onderzoek als een startpunt voor andere katalysatoren die ondersteunende structuren gebruiken om de activiteit te vergroten. “Ons vermogen om fasezuivere metaalcarbide-nanomaterialen bij hoge belasting te synthetiseren, opent de deur voor de ontwikkeling van nieuwe katalysatoren voor het proces van CO₂ gebruik', zei Yang.

“Ik hoop dat we door een diepgaande studie van de synthese-structuur-eigenschap relatie van deze katalysator binnenkort nieuwe belangrijke toepassingen zullen kunnen ontdekken voor de conversie van CO met toegevoegde waarde₂ en de duurzame ontwikkeling van onze economie.”

Andere bijdragen zijn onder meer Rachel Park, Di Gao en Cheng Zhang van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign in Urbana, Illinois; en Yuanhui Zhang van de afdeling Landbouw- en Biologische Techniek aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.