Icketermisk plasma (NTP) används för att aktivera CO₂ molekyler för hydrering till alternativa bränslen vid låga temperaturer, vilket också möjliggör omvandling av förnybar el till kemisk energi. Forskare från Tokyo Tech kombinerade experimentella och beräkningsmetoder för att undersöka hydreringsvägen för NTP-främjad CO₂ på ytan av Pd₂ Ga/SiO₂ katalysatorer. De mekanistiska insikterna från deras studie kan hjälpa till att förbättra effektiviteten av katalytisk hydrogenering av CO₂ och låter ingenjörerna designa nya konceptkatalysatorer.

Klimatförändringar accelererade av överskott av CO₂ utsläpp har varit ett stort problem under de senaste åren. För att hantera detta problem, tekniker som inte bara kan minska och ta bort överskott av CO₂ utsläpp men också omvandla dem till förädlade kemikalier utvecklas. En sådan metod är hydreringen av CO₂ använda förnybart väte för att producera alternativa bränslen.

Under åren har olika strategier utvecklats för att förbättra CO₂ hydrering i närvaro av metalliska katalysatorer. Den mest lovande bland dem är icke-termisk plasma (NTP). Det främjar hydrering av CO₂ bortom den termodynamiska gränsen även vid låga temperaturer utan att deaktivera metalliska katalysatorer, som är känsliga för högre temperaturer. Trots den ökande populariteten för denna teknik är interaktionerna mellan de NTP-aktiverade arterna och metalliska katalysatorer fortfarande inte väl förstått.

Ett team av forskare från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan, ledd av prof. Tomohiro Nozaki, utarbetade en studie för att överbrygga denna brist i förståelse. I deras senaste genombrott, publicerade i Journal of the American Chemical Society , avslöjade forskarna reaktionsdynamiken för NTP-assisterad CO₂ hydrering på ytan av Pd₂ Ga/SiO₂ legeringskatalysatorer som leder till bildning av formiat.

"Reaktionsmekanismer som Eley-Rideal eller E-R-väg har föreslagits för att förklara effektiv CO₂ omvandling vid lägre temperaturer och aktiveringsenergin för denna reaktion minskar dramatiskt. Dessutom producerar NTP en stor mängd vibrationsaktiverad CO₂ vilket är nyckeln till att förbättra CO₂ omvandling bortom den termiska jämvikten", förklarar Prof Nozaki.

Teamet undersökte reaktionerna mellan NTP-aktiverad CO₂ och Pd₂ Ga/SiO₂ legeringskatalysatorer i en dielektrisk barriärurladdningsreaktor med fluidiserad bädd (Figur 1 och videor) och jämförde dem med konventionell termisk katalys. Resultaten visade att CO₂ omvandlingen till formiat var mer än tvåfaldig i fallet med NTP-assisterad hydrering jämfört med termisk omvandling. För att ytterligare fastställa mekaniken bakom den nämnda omvandlingen, antog forskarna in situ spektroskopisk analys och beräkningar av densitetsfunktionella teorin (DFT).

The results revealed that the NTP activation gave rise to vibrationally excited CO₂ molecules that directly react with hydrogen atoms adsorbed by the Pd sites on the catalyst via the E-R pathway. One of the O atoms from the reacted species then got adsorbed at the neighboring Ga site resulting in the formation of monodentate-formate or m-HCOO. The DFT calculations also deduced a decomposition pathway for the same m-HCOO species.

This experimental-theoretical study showed that NTP can promote CO₂ hydrogenation to limits those conventional thermal methods can hardly reach. It also provided mechanistic insights into NTP activated CO₂ and catalyst interaction, which can be utilized to develop better catalysts and improve the hydrogenation process. "With our research, we wanted to accelerate the waste to wealth initiative. Capturing CO₂ and using it as feedstock for synthesis of fuels and valuable chemicals will not only help us deal with climate problem but also slow down fossil fuel depletion to some extent," concludes Prof. Nozaki. + Explore further

Caught in the act:Key chemical intermediates in pollutant-to-fuel reaction identified