För att optimera katalysatorns prestanda, ett team av forskare från Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och medarbetare har utvecklat en detaljerad förståelse för effekten av förbehandlingsinducerade struktur- och sammansättningsförändringar i nanoskala på katalysatoraktivitet och långsiktig stabilitet.

Forskningen kan göra produktionen av den viktiga industriella råvarukemikalien acetaldehyd mer effektiv.

Förbättringar av energieffektiviteten för kemisk produktion behövs för att möta globala energiområden. Heterogen katalys med användning av nanomaterial har potential att avsevärt öka effektiviteten genom förbättrad reaktionsselektivitet och minskning av driftstemperaturen för processer med hög volym. Nanomaterial kan också möjliggöra nya katalytiska processer som förbättrar effektiviteten genom att eliminera behovet av separering av biprodukter, som vatten.

Produktionen av acetaldehyd är ett bra exempel på behovet av att förbättra energieffektiviteten för kemiska transformationer. Acetaldehyd är ett utgångsmaterial för flera industrikemikalier.

Den nuvarande processen för att producera acetaldehyd är oxidativ dehydrogenering av etanol katalyserad av silver, som kräver hög temperatur och separering av biprodukten, vatten.

Men LLNL-teamet och medarbetare hittade ett sätt att stabilisera nickel (Ni) -dopade koppar (Cu) katalysatorer som möjliggör direkt katalytisk icke-oxidativ dehydrogenering av etanol mot acetaldehyd och väte, ett rent bränsle.

"Icke-oxidativ dehydrogenering av etanol har många fördelar jämfört med nuvarande produktionsmetoder, inklusive att generera väte som en biprodukt och samtidigt undvika separering av vatten, biprodukten av oxidativ etanoldehydrogenering, "sa LLNL -materialforskaren Juergen Biener, huvudförfattare till ett papper som finns i tidningen Katalys Science &Technology .

Forskare är intresserade av katalysatorer som består av Ni och Cu på grund av deras användning i många katalytiska och elektrokatalytiska tillämpningar (inklusive koldioxidreduktion). De är också rikliga och relativt billiga.

Använda in situ och ex situ röntgenfotoelektronspektroskopi och olika elektronmikroskopitekniker, laget fann att den katalytiska aktiviteten och stabiliteten för en nanoporös (np) NiCu -legeringskatalysator kan förbättras genom att generera ett kinetiskt infångat Ni -underytstillstånd genom en syreförbehandling.

Exponering av den oxiderade ytan för etanol vid reaktionstemperatur reducerar CuO -ytan medan de flesta av Ni förblir oxiderade och inbäddade i Cu. I detta tillstånd, Ni -dopning ger stabil (mer än 60 timmar) och förbättrad aktivitet för katalytisk dehydrogenering av etanol till acetaldehyd och väte.

"Denna studie betonar vikten av att förstå de dynamiska förändringarna av katalytiska ytor som utlöses av exponering för reaktiva gaser som ett verktyg för att justera materialegenskaper och förbättra deras prestanda, med konsekvenser som sträcker sig till elektrokatalys, fotokatalys, materialvetenskap, metallbaserade biologiska tillämpningar och mer, "Sa Biener.