Medan jag använder röntgenstrålar för att studera de tidiga stadierna av en kemisk process som kan omformulera koldioxid till mer användbara föreningar, inklusive flytande bränslen, forskare blev förvånade när experimentet lärde dem något nytt om vad som driver denna reaktion.

En röntgenteknik vid Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), tillsammans med teoretiskt arbete av ett team vid California Institute of Technology, Pasadena (Caltech), avslöjade hur syreatomer inbäddade mycket nära ytan på ett kopparprov hade en mer dramatisk effekt på de tidiga stadierna av reaktionen med koldioxid än tidigare teorier kunde redogöra för.

Denna information kan vara användbar vid utformning av nya typer av material för att ytterligare förbättra reaktionerna och göra dem mer effektiva vid omvandling av koldioxid till andra produkter. Stora halter koldioxid är skadliga för hälsa och miljö, så forskare har letat efter sätt att ta bort det från atmosfären och säkert lagra det eller omvandla det kemiskt till mer fördelaktiga former.

För att förklara vad som var på jobbet, forskargruppen utvecklade datormodeller, och reviderade befintliga teorier för att förklara vad de bevittnade i experiment. Deras resultat publicerades online den 12 juni i Förfaranden från National Academy of Sciences tidning.

Koppar är en vanlig katalysator - ett material som används för att aktivera och påskynda kemiska reaktioner - och, även om det inte är effektivt, det hjälper till med produktion av etanol när det utsätts för koldioxid och vatten. I den studerade reaktionen, koppar hjälper till att kemiskt bryta ner och sätta ihop koldioxid och vattenmolekyler till andra molekyler.

"Vi hittade mer än vi trodde att vi skulle hitta från denna grundläggande undersökning, "sade Ethan Crumlin, en forskare vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS) som ledde studien med Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP) forskare Junko Yano, på Berkeley Lab, och William Goddard III, på Caltech.

ALS är en röntgenforskningsanläggning känd som en synkrotron som har dussintals experimentella strållinjer för att utforska ett brett spektrum av mikroskopiska egenskaper i materia, och JCAP fokuserar på hur man konverterar koldioxid, vatten, och solljus till förnybara bränslen.

"Att ha syreatomer strax under ytan - ett suboxidskikt - är en kritisk aspekt för detta, "Crumlin sa. Röntgenarbetet gav ny klarhet när det gäller att bestämma rätt mängd av detta underjordiska syre-och dess roll i interaktioner med koldioxidgas och vatten-för att förbättra reaktionen.

"Förstå detta suboxidskikt, och suboxiden i kontakt med vatten, är integrerad i hur vatten interagerar med koldioxid "i denna typ av reaktion, han lade till.

Goddard och hans kollegor på Caltech arbetade nära Berkeley Lab-forskare för att utveckla och förfina en kvantmekaniksteori som passar röntgenobservationerna och förklarade molekylernas elektroniska struktur i reaktionen.

"Det här var en bra looping, iterativ process, "Crumlin sa." Bara att vara nyfiken och inte nöja sig med ett enkelt svar lönade sig. Allt började gå ihop som en sammanhängande historia. "

Goddard sa, "Detta fram och tillbaka mellan teori och experiment är en spännande aspekt av modern forskning och en viktig del av JCAP-strategin för att göra bränslen från koldioxid." Caltech -teamet använde datorer för att förstå hur elektroner och atomer ordnar om sig i reaktionen.

På Berkeley Labs ALS, forskare anlitade en röntgenteknik känd som APXPS (omgivande tryckröntgenfotoelektronspektroskopi när de exponerade ett tunt folieark av ett specialbehandlat koppar-känt som Cu (111)-för koldioxidgas och tillsatt vatten vid rumstemperatur.

I pågående experiment värmde de provet något i syre för att variera koncentrationen av inbäddat syre i folien, och använde röntgenstrålar för att undersöka de tidiga stadierna av hur koldioxid och vatten synergistiskt reagerar med olika mängder underjordoxid vid ytan av koppar.

Röntgenstudierna, planerad och utförd av Marco Favaro, huvudförfattaren till studien, avslöjade hur koldioxidmolekyler krockar med kopparytan, sväva sedan över det i ett svagt bundet tillstånd. Interaktioner med vattenmolekyler tjänar till att böja koldioxidmolekylerna på ett sätt som gör att de kan ta bort väteatomer från vattenmolekylerna. Denna process bildar så småningom etanol, en typ av flytande bränsle.

"Den blygsamma mängden underjordiskt syre hjälper till att generera en blandning av metalliskt och laddat koppar som kan underlätta interaktionen med koldioxid och främja ytterligare reaktioner när det är i närvaro av vatten, "Sa Crumlin.

Koppar har vissa brister som katalysator, Yano noterade, och det är för närvarande svårt att kontrollera slutprodukten som en given katalysator kommer att generera.

"Om vi ​​vet vad ytan gör, och vad modellen är för denna kemiska interaktion, då finns det ett sätt att efterlikna detta och förbättra det, "Sade Yano. Det pågående arbetet kan också hjälpa till att förutsäga slutproduktionen av en given katalysator i en reaktion." Vi vet att koppar fungerar - hur är det med olika kopparytor, kopparlegeringar, eller olika typer av metaller och legeringar? "