Praktiskt taget all produktion av kemikalier och bränsle är beroende av katalysatorer, som påskyndar kemiska reaktioner utan att förbrukas i processen. De flesta av dessa reaktioner äger rum i enorma reaktorkärl och kan kräva höga temperaturer och tryck.

Forskare har arbetat på alternativa sätt att driva dessa reaktioner med elektricitet, snarare än värme. Detta kan potentiellt möjliggöra billiga, effektiv, distribuerad tillverkning som drivs av förnybara elkällor.

Men forskare som är specialiserade på dessa två tillvägagångssätt - värme kontra el - tenderar att arbeta oberoende, utveckla olika typer av katalysatorer skräddarsydda för deras specifika reaktionsmiljöer.

En ny forskningslinje syftar till att ändra på det. Forskare vid Stanford University och Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory rapporterade idag att de har tillverkat en ny katalysator som fungerar med antingen värme eller el. Baserat på nickelatomer, katalysatorn påskyndar en reaktion för att omvandla koldioxid till kolmonoxid – det första steget för att göra bränslen och användbara kemikalier från CO ₂ .

Resultaten representerar ett viktigt steg mot att förena förståelsen av katalytiska reaktioner i dessa två mycket olika tillstånd med distinkta drivkrafter i spel, sa Thomas Jaramillo, professor vid SLAC och Stanford och chef för SUNCAT Institute for Interface Science and Catalysis, där forskningen ägde rum.

"Detta är en sällsynthet inom vårt område, " sa han. "Det faktum att vi kunde sammanföra det i ett ramverk för att titta på samma material är det som gör det här arbetet speciellt, och det öppnar en helt ny väg att se på katalysatorer på ett mycket bredare sätt."

Resultaten förklarar också hur den nya katalysatorn driver denna nyckelreaktion snabbare när den används i en elektrokemisk reaktor, sa forskargruppen. Deras rapport dök upp i den tryckta upplagan av Angewandte Chemie Denna vecka.

Mot en hållbar kemiframtid

Att hitta sätt att omvandla CO ₂ till kemikalier, bränslen, och andra produkter, från metanol till plast och syntetisk naturgas, är ett stort fokus för SUNCAT-forskningen. Om det görs i stor skala med förnybar energi, det skulle kunna skapa marknadsincitament för återvinning av växthusgasen. Detta kommer att kräva en ny generation av katalysatorer och processer för att genomföra dessa omvandlingar billigt och effektivt i industriell skala – och att göra dessa upptäckter kommer att kräva nya idéer.

På jakt efter nya vägar, SUNCAT bildade ett team av Ph.D. studenter som involverar tre forskargrupper på kemiteknikavdelningen på Stanford:Sindhu Nathan från professor Stacey Bents grupp, vars forskning fokuserar på värmedrivna katalytiska reaktioner, och David Koshy, som samråds av Jaramillo och professor Zhenan Bao och har fokuserat på elektrokemiska reaktioner.

Nathans arbete har varit inriktat på att förstå värmedrivna katalytiska reaktioner på en grundläggande, atomär nivå.

"Värmedrivna reaktioner är vad som vanligtvis används i industrin nu, " sa hon. "Och för några reaktioner, en värmedriven process skulle vara utmanande att implementera eftersom det kan kräva mycket höga temperaturer och tryck för att få den önskade reaktionen att fortsätta."

Att driva reaktioner med elektricitet kan göra vissa transformationer mer effektiva, Koshy sa, "eftersom du inte behöver värma upp saker, och du kan också göra reaktorer och andra komponenter mindre, billigare och mer modulärt – plus att det är ett bra sätt att dra nytta av förnybara resurser."

Forskare som studerar dessa två typer av reaktioner arbetar parallellt och interagerar sällan, så de har inte många möjligheter att få insikter från varandra som kan hjälpa dem att designa mer effektiva katalysatorer.

Men om de två lägren kunde arbeta på samma katalysator, det skulle skapa en grund för att förena deras förståelse av reaktionsmekanismer i båda miljöerna, sa Jaramillo. "Vi hade teoretiska skäl att tro att samma katalysator skulle fungera i båda uppsättningarna av reaktionsförhållanden, " han sa, "men denna idé hade inte testats."

En ny väg för upptäckt av katalysatorer

För sina experiment, teamet valde en katalysator som Koshy nyligen syntetiserade kallad NiPACN. De aktiva delarna av katalysatorn - de platser där den griper tag i passerande molekyler, får dem att reagera och släpper ut produkterna – består av enskilda nickelatomer bundna till kväveatomer som är utspridda i hela kolmaterialet. Koshys forskning hade redan fastställt att NiPACN kan driva vissa elektrokemiska reaktioner med hög effektivitet. Skulle det kunna göra samma sak under termiska förhållanden?

För att svara på denna fråga, teamet tog den pulveriserade katalysatorn till SLAC:s Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL). De arbetade med den framstående personalforskaren Simon Bare för att utveckla en liten reaktor där katalysatorn kunde påskynda en reaktion mellan väte och koldioxid vid höga temperaturer och tryck. Inställningen tillät dem att lysa in röntgenstrålar i reaktionen genom ett fönster och se reaktionen fortskrida.

Särskilt, de ville se om de svåra förhållandena inuti reaktorn förändrade katalysatorn eftersom den underlättade reaktionen mellan väte och CO ₂ .

"Folk kan säga, hur vet du att atomstrukturen inte förändrades, gör detta till en något annorlunda katalysator än den vi tidigare hade testat i elektrokemiska reaktioner?" sa Koshy. "Vi var tvungna att visa att nickelreaktionscentra fortfarande ser likadana ut när reaktionen är klar."

Det är precis vad de fann när de undersökte katalysatorn i detalj före och efter reaktionen med röntgenstrålar och transmissionselektronmikroskopi.

Går framåt, forskargruppen skrev, studier som denna kommer att vara avgörande för att förena studiet av katalytiska fenomen över reaktionsmiljöer, vilket i slutändan kommer att stärka ansträngningarna att upptäcka nya katalysatorer för att transformera bränsle- och kemisk industri.