Användningen av växthusgaser är en av de mest populära riktningarna för den globala trenden mot koldioxidutsläpp – att minska koldioxidavtrycket från produktion och mänskliga aktiviteter. I processen att omvandla koldioxid till metan är de viktigaste katalysatorerna som används idag guld, platina och palladium, som är dyra och komplexa.
En forskargrupp från Skoltech, Boreskov Institute of Catalysis (Siberian Branch of Russian Academy of Sciences) och Tomsk Polytechnic University genomförde ett experiment och bevisade att en ny fotokatalysator baserad på WB5-x -WB2 volframborid och TiO2 titandioxid kan konkurrera med ädelmetaller. Det ökar effektiviteten av kemiska reaktioner avsevärt och är mycket billigare än de katalysatorer som används idag.
Resultaten presenteras i en ny studie i Applied Surface Science journal.
WB5-x , volframpentaborid, syntetiserades tidigare som ett billigare alternativ för diamantskärare som används på borrutrustning inom olje- och gasindustrin.
Skoltech-professorerna Alexander Kvashnin från Energy Transition Center och Artem R. Oganov, som leder Material Discovery Laboratory, och deras kollegor utnyttjade en maskinalgoritm som förutspådde stabiliteten hos WB5, och fick sedan prover genom att sintra volfram och bor i en 1-till- -7 förhållande vid temperaturer upp till 1 500 grader Celsius och tryck upp till 7 gigapascal.
Metoden för att syntetisera superhård volframpentaborid förfinades därefter i samarbete med Tomsk Polytechnic University, vilket gjorde produktionen mer effektiv och ekonomisk.
"Vi har identifierat egenskaper som gjorde att vi kunde anta att volframpentaborid inte bara är lovande för oljeproduktion, utan också kan bli en bra katalysator. Tidigare kände vi bara till kristallstrukturen, stabilitetsinformationen och materialets mekaniska egenskaper.
"Vi har ansträngt oss mycket för att förutsäga adsorptionen och katalytiska egenskaperna hos volframpentaborid genom datormodellering och beräkna reaktionsbarriärerna. Sedan vände vi oss till våra kollegor, som bekräftade resultaten experimentellt", säger Aleksandra Radina, en studie som samarbetar med författare och en Ph.D. student på Skoltechs materialvetenskapsprogram.
Forskare från Tomsk Polytechnic University syntetiserade ett pulver av högre volframborid med hjälp av en tidigare utvecklad teknologi, medan deras kollegor från Boreskov Institute of Catalysis använde det syntetiserade materialet som en samkatalysator för två reaktioner – omvandling av koldioxid till metan och framställning av väte från en vattenlösning av etanol.
Enligt resultaten, WB5-x -WB2 volframborid ökade effektiviteten för den första reaktionen med en faktor fyra och den andra med en faktor 23. Strukturanalysmetoder såsom högupplöst transmissionselektronmikroskopi, röntgendiffraktion, röntgenfotoelektronspektroskopi och andra har bekräftat den nya WB5-x -WB2 /TiO2 katalysatorn är ansvarig för ökad reaktionseffektivitet. Studier med dessa analytiska tekniker utfördes vid Boreskov Institute of Catalysis vid den sibiriska grenen av den ryska vetenskapsakademin.
"Simuleringsdata visade att den högre volframboriden borde fungera som ett aktivt katalysatormaterial för att producera väte från etanol, och de experimentella resultaten bekräftade våra förutsägelser. Eftersom vårt material inte tidigare har betraktats som en katalysator, uppstår frågan om screening av kemiska processer. , där det kan visa sig vara en mer effektiv katalysator jämfört med traditionella material, säger professor Kvashnin från Skoltechs Energy Transition Center, ledare för studien.
Som författarna påpekar, kan den nya fotokatalysatorn vara effektiv inte bara i reaktionerna ovan. Det viktigaste är att forskningen öppnar en ny riktning för att applicera material baserade på borider och karbider av övergångsmetaller, inklusive högentropi.
För närvarande undersöker ett team från tre organisationer aktivt användningen av nya material i olika katalytiska processer med tillämpningar inom fotokatalys, petrokemi och så vidare.
Mer information: Anna Yu. Kurenkova et al, Photocatalytic H2 generation och CO2 minskning med WB5-x samkatalysator av TiO2 katalysator, Applied Surface Science (2024). DOI:10.1016/j.apsusc.2024.160095
Tillhandahålls av Skolkovo Institute of Science and Technology
