Genom att bädda in en silverkatalysator inuti en porös kristall, KAUST-forskare har förbättrat en kemisk reaktion som omvandlar koldioxid (CO ₂ ) till kolmonoxid (CO), som är ett användbart råmaterial för den kemiska industrin.

Kolmonoxid är en byggsten för produktion av kolvätebränslen, och många forskare söker efter sätt att producera det från CO ₂ , en växthusgas som avges genom förbränning av fossila bränslen. En strategi innebär att man använder el och en katalysator för att driva en så kallad CO ₂ reduktionsreaktion. Men denna reaktion ger vanligtvis en mängd andra produkter, inklusive metan, metanol och eten. Att separera dessa produkter ökar kostnaden för processen avsevärt, så forskare hoppas kunna vägleda reaktionen för att generera en enda produkt.

Osama Shekhah och Mohamed Eddaoudi, kemister på KAUST, i samarbete med Ted Sargents grupp vid University of Toronto, har nu finjusterat CO ₂ reduktionsreaktion med hjälp av metallorganiska ramverk (MOF). Dessa porösa kristaller innehåller ett galler av metallbaserade noder anslutna med kolbaserade länkmolekyler. Genom att ändra dessa komponenter, forskare kan skräddarsy storleken på en MOF:s porer och dess kemiska egenskaper.

Forskarna skapade fyra olika MOF med samma övergripande gitterarrangemang och odlade 5-nanometer breda nanopartiklar av silver inuti porerna i varje MOF. Sedan testade de varje MOF för att hitta hur dess struktur påverkade CO ₂ reduktionsreaktion. De övervakade vilka produkter som kom fram från processen och studerade hur en aktiverad form av CO - en avgörande mellanprodukt i reaktionen - band till silverkatalysatorn.

Den mest effektiva MOF innehöll zirkoniumbaserade noder sammankopplade med molekyler av 1, 4-naftalenedikarboxylsyra. Eftersom den har mindre porer, dess förmåga att fånga CO ₂ överträffat sina konkurrenter.

Silvernanopartikeln i denna MOF band också aktiverad CO på ett annat sätt än de andra, anslutning i ett "bryggläge" som involverar två bindningar snarare än en. Detta säkerställde att CO var mindre benägna att omvandlas till oönskade biprodukter. "Att kontrollera typen av CO-mellanprodukt under reaktionen har en stor inverkan på CO-selektiviteten, " säger Shekhah. Tillsammans, dessa effekter ökade effektiviteten i CO -produktionen till 94 procent, en dramatisk förbättring av selektiviteten.

Forskarna hoppas kunna bygga vidare på sin strategi, göra ytterligare justeringar av MOF:s struktur för att förbättra CO ₂ reduktionsreaktion. "Vi tror att detta arbete banar väg för att använda MOFs som nya stöd för att förbättra aktiviteten och produktselektiviteten för CO ₂ reduktionsreaktion genom att direkt interagera med de gasformiga mellanprodukterna och kontrollera deras bindningssätt, säger Eddaoudi.