Under de rätta förhållandena, silver nanopartiklar, representeras av de stora orangea sfärerna, kan absorbera synligt ljus. Laddningsbärare som produceras genom lätt excitation överförs till CO2 och vatten, möjliggör omvandling till kolväten och andra multikolmolekyler. I grafiken, kolatomer är svarta, syreatomer är röda och väteatomer är vita. Upphovsman:D. Devasia/Jain Lab/University of Illinois Urbana-Champaign
Forskare rapporterar att små mängder användbara molekyler som kolväten produceras när koldioxid och vatten reagerar i närvaro av ljus och en silvernanopartikelkatalysator. Deras valideringsstudie – möjlig genom användning av en högupplöst analytisk teknik – kan bana väg för CO 2 -reduktionstekniker som möjliggör industriell produktion av förnybara kolbaserade bränslen.
Studien, ledd av University of Illinois Urbana-Champaign kemiprofessor Prashant Jain, sonderar kemisk aktivitet vid ytan av silver -nanopartikelkatalysatorer under synligt ljus och använder kolisotoper för att spåra ursprunget och produktionen av dessa tidigare oupptäckta kemiska reaktioner. Resultaten publiceras i tidskriften Naturkommunikation.
Solljusdriven omvandling av CO 2 och vatten till energitäta flerkolföreningar är en livskraftig teknik för generering av förnybar energi och kemisk tillverkning. På grund av detta, forskare har varit på jakt efter syntetiska katalysatorer som underlättar storskalig CO 2 reduktion till multikolmolekyler, studien rapporterar.
"Katalytiska kemiska reaktioner på industrinivå testas vanligtvis och optimeras på basis av slutprodukternas bulkprofil, " Sa Jain. "Men det finns kemiska arter som bildas i mellanstadierna av sådana reaktioner, på ytan av katalysatorerna, Det kan vara för knappt för att upptäcka och mäta med konventionella metoder, men är grundläggande signifikanter för hur en katalysator fungerar. "
I labbet, Jains team använde ett speciellt utrustat Raman-spektroskop för att upptäcka och identifiera enstaka molekyler som bildas på ytan av individuella silvernanopartiklar. Genom att isolera en enda nanopartikel på vilken de kemiska reaktionerna fortskrider, forskarna kan använda en mycket fokuserad laser för att excitera molekyler som bildas på katalysatorytan för att skapa en spektral signal som identifierar de molekyler som bildas i diskret, elementära steg i den övergripande kemiska processen.
"Jag tycker om att tänka på det här verket i termer av en historia, " Sa Jain. "Det finns ett övergripande tema för en berättelse, vilket är minskningen av CO 2 . Huvudpersonerna är CO 2 , H 2 O, silver nanopartiklar, kolmonoxid och vätejoner, till exempel. Men det finns också några mindre men mycket intressanta karaktärer som butanol, acetat och oxalsyra som hjälper till att berätta huvudkaraktärernas bakgrund. Och ibland, de mindre karaktärerna är mycket mer intressanta än de stora."
Ibland kan mindre karaktärer komma med några oavsiktliga spelare, sa Jain. För att säkerställa att de mellanliggande kolbaserade molekylerna som forskarna upptäckte är ett resultat av CO 2 reduktionsprocessen och inte kontaminering, de använde CO 2 som endast innehåller kol-13-isotopen, som bara utgör 1,1 % av kolet på jorden.
"Att använda kol-13 för att spåra reaktionsvägarna gjorde det möjligt för oss att bekräfta att alla uppmätta kolväten fanns där som ett resultat av CO 2 vi tillsatte avsiktligt i reaktionskärlet, och inte av misstag introduceras via kontaminering av silvernanopartiklarna eller senare under analysprocessen, "Jain sa." Carbon-13 är sällsynt, så om vi skulle upptäcka det i våra reaktionsprodukter, vi skulle veta att det var resultatet av den ljusdrivna omvandlingen av CO 2 och C-C-bindningsbildning."
Omfattningen av multikolmolekylbildning genom att använda silvernanopartikelkatalysatorer är fortfarande mycket liten i detta skede av forskningen, Sa Jain. Dock, forskare kan koncentrera sig på att utveckla förbättrade syntetiska katalysatorer och skala upp för industriell produktion, nu när löftet om ljusskördande nanopartiklar har avslöjats.
