Ett internationellt samarbete mellan forskare har tagit ett betydande steg mot förverkligandet av en nästan "grön" noll-net-kol teknik som effektivt kommer att omvandla koldioxid, en stor växthusgas, och väte till etanol, som är användbart som bränsle och har många andra kemiska tillämpningar. Studien rapporterar en "färdplan" för att framgångsrikt navigera i denna utmanande reaktion och ger en bild av hela reaktionssekvensen med hjälp av teoretisk modellering och experimentell karakterisering.

Leds av det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory, gruppen fastställde att ta med cesium, koppar, och zinkoxid tillsammans till en nära kontaktkonfiguration katalyserar en reaktionsväg som omvandlar koldioxid (CO ₂ Etanol (C2H6O). De upptäckte också varför detta tredelade gränssnitt är framgångsrikt. Studien, som beskrivs i en tidning i onlineupplagan den 23 juli av Journal of the American Chemical Society och finns med på publikationens omslag, kommer att driva ytterligare forskning om hur man utvecklar en praktisk industriell katalysator för selektiv omvandling av CO ₂ i etanol. Sådana processer kommer att leda till tekniker som kan återvinna CO ₂ släpps ut från förbränning och omvandlar det till användbara kemikalier eller bränslen.

Ingen av de tre komponenterna som undersöktes i studien kan individuellt katalysera CO ₂ -omvandling till etanol, inte heller kan de i par. Men när trion förs samman i en viss konfiguration, regionen där de möts öppnar en ny väg för bildning av kol-kolbindningar som gör omvandlingen av CO ₂ till etanol möjligt. Nyckeln till detta är det väl avstämda samspelet mellan cesium, koppar, och zinkoxidställen.

"Det har varit mycket arbete med att omvandla koldioxid till metanol, ändå har etanol många fördelar jämfört med metanol. Som bränsle, etanol är säkrare och mer potent. Men dess syntes är mycket utmanande på grund av reaktionens komplexitet och svårigheten att kontrollera C-C-bindningsbildning, " sa studiens motsvarande forskare, Brookhaven kemist Ping Liu. "Vi vet nu vilken typ av konfiguration som krävs för att göra omvandlingen, och de roller som varje komponent spelar under reaktionen. Det är ett stort genombrott."

Gränsytan bildas genom avsättning av små mängder koppar och cesium på en yta av zinkoxid. För att studera de regioner där de tre materialen möts, gruppen vände sig till en röntgenteknik som kallas röntgenfotoemissionsspektroskopi, som visade en trolig förändring i reaktionsmekanismen för CO ₂ hydrering när cesium tillsattes. Fler detaljer avslöjades med hjälp av två mycket använda teoretiska tillvägagångssätt:"density functional theory" beräkningar, en beräkningsmodelleringsmetod för att undersöka materialstrukturer, och "kinetisk Monte Carlo-simulering, " datorsimulering för att simulera reaktionskinetiken. För detta arbete, gruppen använde datorresurserna från Brookhavens Center for Functional Nanomaterials och Lawrence Berkeley National Laboratorys National Energy Research Scientific Computing Center, både DOE Office of Science användarfaciliteter.

En av de saker de lärde sig från modelleringen är att cesium är en viktig komponent i det aktiva systemet. Utan dess närvaro, etanol kan inte tillverkas. Dessutom, god koordination med koppar och zinkoxid är också viktigt. Men det finns mycket mer att lära.

"Det finns många utmaningar att övervinna innan man når en industriell process som kan förvandla koldioxid till användbar etanol, " sa Brookhaven kemisten José Rodriguez, som deltagit i arbetet. "Till exempel, det måste finnas ett tydligt sätt att förbättra selektiviteten mot etanolproduktion. En nyckelfråga är att förstå kopplingen mellan katalysatorns natur och reaktionsmekanismen; den här studien ligger i frontlinjen för detta arbete. Vi strävar efter en grundläggande förståelse för processen."

Ett annat mål för detta forskningsområde är att hitta en idealisk katalysator för CO ₂ omvandling till "högre" alkoholer, som har två eller flera kolatomer (etanol har två) och är, därför, mer användbar och önskvärd för industriella tillämpningar och produktion av råvaror. Katalysatorn som studeras i detta arbete är fördelaktig eftersom koppar- och zinkoxidbaserade katalysatorer redan är utbredda i den kemiska industrin och används i katalytiska processer såsom metanolsyntes från CO ₂ .

Forskarna har planerat uppföljningsstudier vid Brookhavens National Synchrotron Light Source II, också en DOE Office of Science User Facility, som erbjuder en unik uppsättning verktyg och tekniker för karakterisering av katalysatorer under arbetsförhållanden. Där, de kommer att undersöka mer i detalj Cu-Cs-ZnO-systemet och katalysatorer med en annan sammansättning.