Att arbeta under bra förhållanden gör det enkelt att få ett jobb gjort. Men tänk om du kunde bli bra till bra? Det är vad forskare gjorde för en populär katalysator som driver omvandlingen av koldioxid till ett lovande råmaterial som kallas formiat. En koboltbaserad katalysator som är rik på jorden driver reaktionen i ett lösningsmedel med en superstark bas som är dyr. Med några beräkningar på baksidan av kuvertet, Dr Eric Wiedner och hans kollegor vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory förutspådde att koboltkatalysatorn kunde ta en annan reaktionsväg för att arbeta i vatten med billigt natriumbikarbonat, allmänt känd som bakpulver. Resultatet? Katalysatorn är den bäst presterande katalysatorn av icke-ädelmetall för omvandling av koldioxid i vatten.

"Genom att använda termodynamiska prediktorer för att designa katalysatorer, vi har undvikit hagelgeväret och tillhörande tid och kostnad, "sa Wiedner." Vi förstår hur man styr katalysatorns termodynamik, och nu kan vi utvidga våra resultat till att designa nya katalytiska system. "

Teamets arbete visar att reaktionsmiljön, inklusive katalysatorn, lösningsmedel, och bas, påverkar reaktionen starkt. I detta fall, omgivningen avgör hur reaktionen kommer att gå till. Att förstå miljöpåverkan är avgörande för att utforma de bästa katalysatorerna. Och de bästa katalysatorerna behövs för att omvandla en vanlig förorening till en kemikalie som kan fungera som byggsten för tillverkning av kolvätebränslen och kemikalier.

Vad händer om den förorenande koldioxiden kan användas som råvara för värdefulla kemikalier? Molekylen skulle förvandlas till ett kolvätebyggsten. Hur? Genom att först tillsätta väte för att skapa formiat (HCOO-). En stor utmaning är att hitta ett katalysatorsystem som kan driva reaktionen utan att förlita sig på dyra kemikalier. Ett forskargrupp vid Pacific Northwest National Laboratory utarbetade ett koboltbaserat katalysatorsystem som fungerar i vatten. Katalysatorn är den bästa när det gäller att driva reaktionen i vatten utan att förlita sig på ädelmetaller eller dyra baser.

Teamet förutspådde hur katalysatorn skulle reagera med koldioxid baserat på den förväntade effekten av lösningsmedel på hydrid (H-) överföring, med målet att arbeta i vatten. Mekanismen var annorlunda än den som förekommer i det traditionella lösningsmedlet, tetrahydrofuran. Den resulterande mekanismen bygger på billigt natriumbikarbonat istället för en stark och dyr bas.

Styrs av förutsägelserna, laget testade katalysatorn i vatten med koldioxid. De kännetecknade katalysatorns prestanda genom högtrycks-kärnmagnetisk resonansspektroskopi med hjälp av en anpassad cell utvecklad och byggd på PNNL. "Detta är en sällsynt och kraftfull teknik i katalysgemenskapen, "sa Wiedner. Teamets analys visade att katalysatorn hade fungerat precis som förutspått.