Som varje skrotfordon tydligt visar, järn är benägen att rosta till järnoxid. Men just denna reaktivitet gör också järn och dess föreningar till användbara verktyg för att återuppfinna kemiska transformationer.

Överflödig järnoxid som används för att hjälpa metaller att omvandla koldioxid till användbara produkter skulle samtidigt minska utsläppen och tillföra värde till avfallsströmmarna.

Nuvarande metoder för att framställa metalloxidkatalysatorer, arbetshästarna för kemiska transformationer, kräver höga temperaturer och tryck. Det är därför kemister på PNNL uppmuntras av resultaten av deras nya studie publicerad i tidskriften Naturkommunikation .

Forskningen beskriver en ny teknik som producerar järnoxidbelagda metallnanopartiklar som stöds av fast järnoxid, i ett steg, vid nästan rumstemperatur. Dessa material uppvisar hög aktivitet för omvandling av koldioxid till kolmonoxid, en av komponenterna i en viktig bränsle och kemisk källa som kallas syngas.

Omvända katalysatorer som nästa generations tillvägagångssätt för energiomvandling

Den nya tekniken vänder upp och ner på det traditionella tillvägagångssättet för kemisk omvandling. Medan de flesta industriella katalysatorer endast använder oxid som stödstruktur, dessa järnoxidbaserade nanopartikelkatalysatorer vänds eller "inverterade". Förutom att ge stöd, det reaktiva järnet frigörs från ytan under syntesen och avsätts tillbaka på det fasta ämnet, bildar en beläggning på metallnanopartiklarna.

Omvända katalysatorer används inte kommersiellt eftersom de vanligtvis är svåra att tillverka och att producera i stora mängder. Om de tekniska hindren kunde övervinnas, vilket visade sig vara möjligt i denna studie, inversa katalysatorer skulle vara utmärkta verktyg för att omvandla koldioxidavfall till kemiska råvaror - råvarorna som används i många andra industriella processer.

"Våra resultat visar att dessa inversa katalysatorer har tvingande katalytisk reaktivitet under milda reaktionsförhållanden på grund av järnoxidbeläggningen, "sa Oliver Gutiérrez, en PNNL -kemist som hjälpte till att leda forskningsprojektet. "Tekniken är mångsidig och lätt skalbar."

"Vi vill lägga till värde för koldioxid för att undvika att dumpa det i atmosfären, "tillade han." Om skalas till industrin, detta kan vara tillämpligt på alla företag med koldioxidavfall. "

Nanopartiklar pryder ytan på den nya katalysatorn

Den nya beredningsmetoden drar nytta av järnoxids inneboende reaktivitet för att ge metallnanopartiklarna några viktiga nya egenskaper på metalloxidstödet.

"Vi såg järnjoner som cyklade från stödjärnoxiden, till vattenlösningen, för att återgå till det fasta materialet på nanopartikelytan under vår syntes, "sa Gutiérrez." Det är nytt. Järnoxidbeläggningen är mycket reaktiv tillsammans med metallytan, ökar kraftigt det tillgängliga området för den katalytiska reaktionen. "

Järnkemi efterliknar vad som ses inom jorden

Fyndet belyser också de naturliga processer som kretsar järn, det fjärde mest förekommande elementet i jordskorpan, över tid.

"Mineralvattengränssnittet av järn är viktigt i undervattensvetenskap, sa Kevin Rosso, en geokemist och Lab Fellow på PNNL, som också bidragit till arbetet. "De två stora oxidationstillstånden för järn kombineras för att bilda ett dynamiskt gränssnitt, och detta spelar en stor roll i båda inställningarna. Det vi upptäckte här i katalysinställningen kan också hjälpa oss att förstå geokemisk metalltransport i underjorden. "

Syngas potential

När katalysatorn väl hade beretts, forskarna genomförde experiment som visade att den inversa katalysatorn effektivt kunde omvandla koldioxid till kolmonoxid, en komponent i syngas - en mångsidig råvara för den kemiska industrin.

"Med oxidbeläggningen, vi fick hela ytan på den järnbaserade nanopartikeln att bete sig som ett gränssnitt, "sa Gutiérrez." Det gjorde att vårt system kunde uppnå en förbättring av storleksordningen i selektiv kemisk omvandling till kolmonoxid jämfört med nanopartikelkatalysatorer som enbart är baserade på ädelmetaller. "

Nu undersöker teamet hur man ställer in metallnanopartiklar för olika reaktioner och för att bättre förstå kemin vid detta reaktionsgränssnitt.