Brookhaven-forskare är avbildade vid NSLS-II strållinje 8-ID, där de använde ultrastarkt röntgenljus för att "se" den kemiska komplexiteten hos ett nytt katalytiskt material. På bilden från vänster till höger är Klaus Attenkofer, Dong Su, Sooyeon Hwang, och Eli Stavitski. Kredit:Brookhaven National Laboratory
Föreställ dig om koldioxid (CO 2 ) lätt kan omvandlas till användbar energi. Varje gång du andas eller kör ett motorfordon, du skulle producera en nyckelingrediens för att generera bränslen. Som fotosyntes i växter, vi skulle kunna vända CO 2 till molekyler som är viktiga för det dagliga livet. Nu, forskarna är ett steg närmare.
Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory är en del av ett vetenskapligt samarbete som har identifierat en ny elektrokatalysator som effektivt omvandlar CO 2 till kolmonoxid (CO), en mycket energisk molekyl. Deras resultat publicerades den 1 februari i Energi- och miljövetenskap .
"Det finns många sätt att använda CO, sade Eli Stavitski, en vetenskapsman vid Brookhaven och en författare på tidningen. "Du kan reagera det med vatten för att producera energirik vätgas, eller med väte för att producera användbara kemikalier, såsom kolväten eller alkoholer. Om det fanns en hållbar, kostnadseffektiv väg att omvandla CO 2 till CO, det skulle gynna samhället mycket."
Forskare har länge sökt ett sätt att omvandla CO 2 till CO, men traditionella elektrokatalysatorer kan inte effektivt initiera reaktionen. Det beror på att en konkurrerande reaktion, kallas väteutvecklingsreaktionen (HER) eller "vattenspjälkning, " har företräde framför CO 2 omvandlingsreaktion.
Några ädla metaller, som guld och platina, kan undvika HENNE och konvertera CO 2 till CO; dock, dessa metaller är relativt sällsynta och för dyra för att fungera som kostnadseffektiva katalysatorer. Så, att omvandla CO 2 till CO på ett kostnadseffektivt sätt, forskare använde en helt ny form av katalysator. Istället för nanopartiklar av ädelmetall, de använde enstaka atomer av nickel.
"Nickelmetall, i bulk, har sällan valts ut som en lovande kandidat för att konvertera CO 2 till CO, sa Haotian Wang, en Rowland Fellow vid Harvard University och motsvarande författare på tidningen. "En anledning är att den presterar HENNE mycket bra, och sänker CO 2 reduktionselektivitet dramatiskt. En annan anledning är att dess yta lätt kan förgiftas av CO-molekyler om några produceras."
Enstaka atomer av nickel, dock, ger ett annat resultat.
"Enstaka atomer föredrar att producera CO, istället för att utföra den konkurrerande HENNE, eftersom ytan på en bulkmetall skiljer sig mycket från enskilda atomer, " sa Stavitski.
Klaus Attenkofer, också en Brookhaven-forskare och en medförfattare på tidningen, Lagt till, "Ytan på en metall har en energipotential - den är enhetlig. På en enda atom, varje plats på ytan har en annan typ av energi."
Förutom de unika energetiska egenskaperna hos enskilda atomer, kompaniet 2 samtalsreaktionen underlättades av interaktionen mellan nickelatomerna och ett omgivande ark av grafen. Förankringen av atomerna till grafen gjorde det möjligt för forskarna att ställa in katalysatorn och undertrycka HER.
För att få en närmare titt på de enskilda nickelatomerna inom det atomärt tunna grafenarket, forskarna använde sveptransmissionselektronmikroskopi (STEM) vid Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN), en DOE Office of Science User Facility. Genom att skanna en elektronsond över provet, forskarna kunde visualisera diskreta nickelatomer på grafenet.
"Vårt toppmoderna transmissionselektronmikroskop är ett unikt verktyg för att se extremt små egenskaper, som enstaka atomer, sa Sooyeon Hwang, en vetenskapsman vid CFN och en medförfattare på tidningen.
"Enstaka atomer är vanligtvis instabila och tenderar att aggregera på stödet, " tillade Dong Su, också en CFN-forskare och en medförfattare på tidningen. "Dock, vi fann att de enskilda nickelatomerna var jämnt fördelade, vilket förklarade omvandlingsreaktionens utmärkta prestanda."
För att analysera materialets kemiska komplexitet, forskarna använde beamline 8-ID vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – även en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven Lab. Det ultraljusa röntgenljuset vid NSLS-II gjorde det möjligt för forskarna att "se" en detaljerad bild av materialets inre struktur.
"Foton, eller ljuspartiklar, interagerar med elektronerna i nickelatomerna för att göra två saker, " sa Stavitski. "De skickar elektronerna till högre energitillstånd och, genom att kartlägga dessa energitillstånd, vi kan förstå den elektroniska konfigurationen och materialets kemiska tillstånd. När vi ökar fotonernas energi, de sparkar bort elektronerna från atomerna och interagerar med de närliggande elementen." I huvudsak, detta gav forskarna en bild av nickelatomernas lokala struktur.
Baserat på resultaten från studierna vid Harvard, NSLS-II, CFN, och ytterligare institutioner, forskarna upptäckte att enskilda nickelatomer katalyserade CO 2 omvandlingsreaktion med en maximal effektivitet på 97 procent. Forskarna säger att detta är ett stort steg mot återvinning av CO 2 för användbar energi och kemikalier.
"För att tillämpa denna teknik på verkliga tillämpningar i framtiden, vi syftar för närvarande på att producera denna enatomskatalysator på ett billigt och storskaligt sätt, samtidigt som den förbättrar dess prestanda och bibehåller dess effektivitet, " sa Wang.
