Samarbetspartners vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory och amerikanska universitet använde neutronspridning och andra avancerade karakteriseringstekniker för att studera hur en framträdande katalysator möjliggör "vatten-gasskift"-reaktionen för att rena och generera väte i industriell skala.

Resultat publicerade i Journal of the American Chemical Society avgjorde en långvarig debatt om katalysatorns reaktionsmekanism, öppnar vägar för att förbättra kostnaden och effektiviteten för storskalig väteproduktion.

"Vårt arbete främjar avsevärt grundläggande förståelse av ett komplex, branschkritisk katalysator som har varit svår att studera, ", sa Zili Wu från ORNL:s Chemical Sciences Division. "Att fastställa hur denna reaktion fungerar på atomnivå möjliggör ytterligare ansträngningar för att optimera katalysatorn för förbättrad prestanda."

Samarbetspartners undersökte en koppar-krom-järnoxid-katalysator (CuCrFeO _x ) tillhandahålls av Lehigh University.

"Vi känner redan till den befintliga CuCrFeO _x katalysator fungerar, men hur det fungerar har varit föremål för debatt, " sa ORNLs Felipe Polo-Garzon, som arbetade med Wu på teamets multimodala tillvägagångssätt för att lokalisera katalysatorns reaktionsmekanism.

Målet var att studera hur katalysatorn beter sig i verkliga förhållanden för att hitta bevis för antingen en oxidationsreduktion ("redox") eller en associativ mekanism - två dominerande teorier om hur CuCrFeO _x arbetar för att producera väte.

Vid en redoxreaktion, reaktanter byter ut några av sina atomer med katalysatorns yta för att ge nya ämnen, i detta exempel, väte och koldioxid. Däremot i en associativ reaktion, alla de reagerande molekylerna binder till katalysatorns yta i ett mellansteg för att komma fram till slutprodukterna.

För att entydigt bevisa hur CuCrFeO _x katalysator fungerar (redox kontra associativ mekanism), forskare kastar ett brett nät av experimentella och beräkningsmetoder.

Alla resultat pekade på samma slutsats - en redoxreaktion. Vid höga temperaturer, katalysatorn tappar syreatomer för att ge plats för vattenmolekyler som dissocierar och avger rent väte.

"Svaret är viktigt eftersom det hjälper oss att identifiera den kritiska punkten i reaktionen där väte genereras, sa Polo-Garzon.

Många befintliga katalysatorer har skapats genom försök och misstag, vilket ofta begränsar deras effektivitet. Teamets grundläggande upptäckt kan eliminera gissningar och berätta för forskare exakt var de ska leta efter möjligheter att syntetisera en bättre katalysator för att generera väte.

Väte är jordens mest förekommande element, men det förekommer inte naturligt i den rena form som behövs av industrier för oljeraffinering, ammoniakproduktion för konstgödsel, Livsmedelsbearbetning, metallbehandling, och andra breda tillämpningar. Det mesta av världens vätgasförsörjning produceras genom ångmetanreformering - omvandling av naturgas till en väteblandning som raffineras via vatten-gasskiftkatalys för att göra rent väte.

Flera faktorer begränsar förståelsen av vad som gör vätegenerering möjlig under vatten-gas-skiftreaktionen. CuCrFeO _x katalysator rekonstruerar under drift, så de färska och förbrukade versionerna är olika, vilket gör det särskilt utmanande att karaktärisera materialet. Tidigare, information om hur ytkemin förändras under reaktionsförhållanden har saknats i pusslet.

Ett annat hinder är blandningens färg. Den svarta katalysatorn hindrar optisk spektroskopi och andra konventionella tekniker som förlitar sig på ljus för att få data, eftersom provet är för mörkt för att "se" effektivt.

Neutronvibrationsspektroskopiexperiment utförda på VISION-strållinjen vid ORNL:s Spallation Neutron Source, en användaranläggning för DOE Office of Science, hjälpte till att övervinna några av utmaningarna med att studera CuCrFeO _x .

Eftersom neutroner interagerar med prover annorlunda än ljus gör, de kan komplettera information erhållen från optiska tekniker. De är också idealiska för att observera väte, vilket är svårt att upptäcka med andra experimentella metoder på grund av grundämnets låga atomvikt.

Utdelningen var tvåfaldig, säger Polo-Garzon. "Neutroner gav oss en viktig pusselbit för att motbevisa den associativa mekanismen, som visar oss att ingen relevant mellanprodukt fanns på katalysatorns yta, ", sade han. "Vi observerade också något som inte tidigare har upptäckts på katalysatorns yta - hydrider."

Hydrider är ytarter som spelar en nyckelroll i vätebaserade reaktioner men är extremt svåra att observera i blandade metallmaterial som CuCrFeO _x .

Förutom neutronförsök, forskare utförde infraröd spektroskopi och temperaturprogrammerad ytreaktionskarakterisering vid Center for Nanophase Materials Sciences, en användaranläggning för DOE Office of Science, och isotopisk transient kinetisk analys vid ORNL; röntgenfotoelektronspektroskopi nära omgivande tryck vid University of Kansas; och densitetsfunktionella teoriberäkningar vid University of California, Riverside, som använde resurser från National Energy Research Scientific Computing Center, en DOE Office of Science User Facility.

"Du behöver mer än ett tillvägagångssätt för att samla in och tolka all information som behövs för att bygga hela historien, ", sa Polo-Garzon. "Vårt samarbete belyser framgången med ett multimodalt tillvägagångssätt för att ge grundläggande genombrott."

Tidskriftsartikeln publiceras som "Elucidation of the Reaction Mechanism for High-Temperature Water Gas Shift over a Industrial-Type Copper-Chromium-Iron Oxide Catalyst."