Tänk om vi kunde vända koldioxid, CO2, till en värdefull resurs? Att använda CO2 som råvara för att skapa bränslen eller andra kemikalier skulle ge ekonomiska och miljömässiga fördelar. Utmaningen är att utforma effektiva processer som endast ger den önskade kemikalien:metan eller kolmonoxid. Varför? Forskare hade ingen klar förståelse för de centrala stegen i reaktionsmekanismen. Forskare vid Pacific Northwest National Laboratory, ledd av Dr Janos Szanyi, bestämde att formiat (HCOO-), en ofta förbisedd jon, var en kritisk mellanprodukt i den övergripande CO2 -omvandlingsprocessen. Balansen i omvandlingen av formiat- och kolmonoxidmellanprodukter avgör vilka kemikalier som produceras.

"Denna studie ger oss viktig information för att använda en lättillgänglig råvara, CO2, och förvandla det till något användbart - en kemisk mellanprodukt, kolmonoxid, eller en energibärare, metan. Denna mellanprodukt kan användas för produktion av högre kolväten, eller bränslen, " sa Szanyi.

I åratal, vissa ansåg att formatera inget annat än en åskådare, en molekyl som inte bidrog till reaktionen. Nu, laget har visat att formatet verkligen är viktigt. Förstå stegen, och formaternas roll, låter forskare designa en selektiv katalysator som pumpar ut de önskade kemikalierna. Att förstå stegen i reaktionen ger forskare avgörande information för att kontrollera reaktionen. Ytterligare, verket avslutar en långvarig kontrovers om formiaternas roll på katalysatorns yta.

I den här studien, ett team från Pacific Northwest National Laboratory bestämde de faktorer som styr en katalysators selektivitet för CO2-hydrering till kolmonoxid eller metan. De använde en ny kombination av operandotransmission FTIR och SSITKA (Fourier Transform Infrared Spectroscopy/Steady State Isotopic Transient Kinetic Analysis) experiment.

De bestämde beteendet hos viktiga mellanprodukter (formiat och kolmonoxid) på katalysatorns yta. För kolmonoxidbildning, det hastighetsbestämande steget är konverteringen, eller minskning, av adsorberat formiat vid gränssnittet mellan palladiummetallkatalysatorn och aluminiumoxidbäraren. För metanbildning, det hastighetsbestämmande steget (se de gröna pilarna i figuren) är att tillsätta väte till den adsorberade kolmonoxiden. Balansen mellan hastigheten för absorberad formiatreduktion och kolmonoxidmetanering styr katalysatorns selektivitet. Det är, selektiviteten kretsar kring hur snabbt mellanprodukterna på ytan tar upp väte, skapar antingen kolmonoxid eller metan.

Efter att ha fastställt nyckelaspekter av reaktionen, laget utformade tre katalysatorer med olika fördelningar av palladium. Mängden palladium på ytan, de hittade, är en annan viktig aspekt vid valet av produkter. Katalysatorn med minst palladium producerade både kolmonoxid och metan, med högre selektivitet för kolmonoxid. I kontrast, högre än 80 % selektivitet mot metanbildning observerades över katalysatorn med den högsta metallbelastningen.

Teamet modifierar nu miljön kring katalysatorns aktiva plats för att justera dess selektivitet. Detta arbete syftar till att minska mängden oönskade produkter som släpps ut. Dessutom, laget utvecklar metoder för att förbereda enkelatomskatalysatorer för att öka effektiviteten hos de inblandade ädelmetallerna.