En närbild av en bit kopparmalm. Kredit:Coldmoon Photoproject/Shutterstock
De säger att det är bättre att ha haft något speciellt och förlorat det än att aldrig ha haft det alls. Vem skulle ha trott att känslan gäller för metalloxidkatalysatorer? Enligt forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och Caltech, koppar som en gång var bundet till syre är bättre på att omvandla koldioxid till förnybara bränslen än koppar som aldrig var bundet till syre.
För sina studier, nu publicerad i tidskriften ACS-katalys , forskarna utförde röntgenspektroskopi på fungerande prototyper av solbränslegeneratorer för att visa att katalysatorer gjorda av kopparoxid är överlägsna katalysatorer av rent metalliskt ursprung när det gäller att producera eten, en tvåkolgas med ett stort antal industriella tillämpningar – även efter att det inte finns några detekterbara syreatomer kvar i katalysatorn.
"Många forskare har visat att oxid-härledda kopparkatalysatorer är bättre på att göra bränsleprodukter från CO 2 , dock, det finns debatt om varför detta inträffar, " sa forskningsmedledare Walter Drisdell, en Berkeley Lab-kemist och medlem av Joint Center for Artificial Photosynthesis (JCAP). JCAP:s uppdrag är att utveckla effektiva, solcellsdrivna tekniker som kan omvandla atmosfärisk CO 2 till alternativa petroleumbränslen. Drisdell och hans kollegor säger att deras upptäckt är ett viktigt framsteg mot det målet.
Han förklarade att under driftsförhållanden för bränslegenerering - vilket innebär att först omvandla CO 2 till kolmonoxid för att sedan bygga upp kolvätekedjor – det kopparbundna syret är naturligt utarmat i katalysatorn. Dock, vissa forskare tror att små mängder syre finns kvar i metallstrukturen, och att detta är källan till den ökade effektiviteten.
Dessa svepelektronmikroskopbilder visar kopparkatalysatorstrukturen i olika stadier. (a) Katalysatorn innan några reaktioner körs. Kubstrukturerna på ytan är ett resultat av oxiden. (b) Hur katalysatorn ser ut efter att ha kört CO-reduktionskemin; allt syre är borta. (c) Katalysatorn efter att avsiktligt tillsatt syre tillbaka till metallen som ett sätt att återställa katalysatorns prestanda. Kopparoxid har bildats i små nanopartiklar ovanpå den släta kopparmetallytan. Kredit:Lee et al./ACS Catalysis
För att lösa debatten, teamet tog med ett gaskromatografisystem (GC) till röntgenstrållinjen så att de kunde detektera etenproduktion i realtid. "Våra medarbetare från Caltech körde GC hela vägen från Pasadena och installerade den på röntgenanläggningen i Palo Alto, sa Soo Hong Lee, en postdoktor vid Berkeley Lab och medförfattare till studien. "Med det, vi visade att det inte finns någon korrelation mellan mängden syre ('oxid') i katalysatorn och mängden eten som produceras. Så, vi tror att oxid-härledda katalysatorer är bra, inte för att de har syre kvar samtidigt som de minskar kolmonoxiden, men eftersom processen att ta bort syret skapar en metallisk kopparstruktur som är bättre på att bilda eten."
Teamet visade vidare att även om oxidbaserade katalysatorers effektivitet avtar med tiden, det kan regelbundet "återaktiveras" genom att tillsätta och ta bort syre igen under en enkel underhållsprocess. Deras nästa steg är att designa en bränslealstrande cell som kan fungera med röntgenspridningsinstrument, gör det möjligt för dem att direkt kartlägga den förändrade strukturen hos katalysatorn samtidigt som den omvandlar kolmonoxid till eten.
Forskargruppen inkluderade också Ian Sullivan och Chengxiang Xiang på Caltech, och David Larson, Guiji Liu, och Francesca Toma på Berkeley Lab. Detta arbete stöddes av U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science. JCAP är en DOE Energy Innovation Hub.
