Den nuvarande kommersiella produktionen av metanol genom hydrering av växthusgasen CO ₂ förlitar sig på en katalysator bestående av koppar, zinkoxid och aluminiumoxid. Även om denna katalysator har använts i många årtionden inom den kemiska industrin, okända kvarstår. Ett team av forskare från gränssnittsvetenskapliga avdelningen vid Fritz-Haber-institutet för Max Planck Society, Ruhr-universitetet Bochum, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC), FZ Juelich och Brookhaven National Laboratory har nu belyst ursprunget till spännande katalytisk aktivitet och selektivitetstrender för komplexa nanokatalysatorer under arbetet. Särskilt, de belyser oxidstödets roll och avslöjade hur metanolproduktionen kan påverkas av små mängder zinkoxid i nära kontakt med koppar.

Metanol kan fungera som energikälla eller som råvara för tillverkning av andra kemikalier, med över 60 miljoner ton producerade årligen. Den traditionella kopparen, zinkoxid och aluminiumoxidkatalysator omvandlar syntesgas, som består av H2, CO och CO ₂ , till metanol. Även om det är pålitligt, denna specifika katalysators effektivitet förändras över tiden, vilket påverkar dess livslängd, som är fallet med många katalysatorer. "Vi studerade därför koppar och blandade koppar-zink-nanopartiklar på olika oxidunderlag för att förstå hur de interagerar och utvecklas och reder ut rollen för varje katalysatorbeståndsdel. Denna kunskap kommer att tjäna till att förbättra framtida katalysatorer." säger Núria Jiménez Divins, en av huvudförfattarna till studien.

Teamet undersökte den katalytiska processen under realistiska reaktionsförhållanden som återger de som tillämpas i den industriella processen, vilket betyder höga tryck (20-60 bar) och milda temperaturer. Detta krävde synkrotrongenererad röntgenstrålning. Simon R. Bare från Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, som bidragit till experimenten, förklarar:"Reaktioner vid sådan temperatur och höga tryck måste ske i en sluten behållare som också bör vara transparent för röntgenstrålarna, vilket gör mätningarna utmanande. Den speciella reaktorkonstruktionen i kombination med synkrotronstrålning gjorde det möjligt för oss att genomföra så kallade operando-mätningar, där vi såg live vad som händer med de katalytiska komponenterna vid de industriellt relevanta reaktionsförhållandena. "Detta gjorde att forskarna kunde följa inte bara katalysatorns födelse och död, men också dess utveckling och transformationer som leder till förändringar i dess aktivitet och selektivitet.

Genom att kombinera resultat från mikroskopi, spektroskopi och katalytiska mätningar, teamet fann att vissa stöd hade en mer positiv inverkan på katalysatorns prestanda än andra på grund av hur de interagerade med zinkoxid, som var tillgängligt på ett mycket utspätt sätt som en del av Cu-Zn-nanopartiklar. På kiseloxidstöd, zinkoxid reducerades delvis till metalliskt zink eller gav upphov till en mässingslegering under den katalytiska processen, som med tiden visade sig vara skadligt för metanolproduktionen. När du använder aluminiumoxid som stöd, zink interagerar starkt med stödet och blir införlivat i sitt gitter, vilket ger upphov till en förändring i reaktionsselektiviteten mot dimetyleter. "Detta är ett intressant fynd", säger David Kordus, den andra huvudförfattaren till studien och Ph.D. student vid Gränssnittsvetenskapliga institutionen vid FHI. "Vi vet nu att valet av bärarmaterial har en inverkan på hur de aktiva komponenterna i katalysatorn beter sig och dynamiskt anpassar sig till reaktionsförhållandena. Speciellt oxidationstillståndet hos zink påverkas kritiskt av detta, som bör övervägas för framtida katalysatordesign."

Detta verk publicerades i Naturkommunikation visar att zinkoxid inte behöver vara tillgänglig som en del av stödet, men att den fortfarande har en fördelaktig funktion även när den är tillgänglig i mycket utspädd form som en del av själva nanopartikelkatalysatorn. Detta kommer att hjälpa till att belysa metanolsynteskatalysatorerna bättre och potentiellt leda till en förbättring av katalysatorn för denna viktiga industriella process.