Katalys är en av nyckelteknologierna inom den kemiska industrin och har en omfattande inverkan på olika aspekter av vårt dagliga liv, inklusive plasttillverkning, läkemedelssyntes och produktion av både gödningsmedel och bränslen. Det uppskattas att över 90 % av de kemiska produkterna numera tillverkas med inblandning av katalys i minst ett steg. Katalys är en komplex process som förlitar sig på den exakta strukturella kontrollen av flera element vid korsningen av fas(in-)stabiliteter.
Medan långtidsstabila katalysatorer är oumbärliga för att främja högpresterande och effektiva reaktioner, genomgår reaktanter stora kemiska förändringar, vilket leder till bildandet av slutliga och önskade produkter. Vid heterogen katalys finns katalysator och reaktanter i olika faser.
Bland de olika heterogena katalytiska processerna har torrreformering av metan (DRM) nyligen blivit föremål för akademisk uppmärksamhet, eftersom den omvandlar två växthusgaser, metan (CH4 ) och koldioxid (CO2). ), till väte (H2 ) och kolmonoxid (CO). Denna blandning är också känd som syngas och kan användas för att minska beroendet av fossila bränslen genom att i följd bygga upp större kolväten via Fischer-Tropsch-kemin.
Även om nickel- och koboltbaserade katalysatorer, som är låga och mycket tillgängliga på jorden, har visat lovande aktivitet för DRM, är det ofta utmanande att designa högpresterande katalysatorer, eftersom sambandet mellan kemisk dynamik, bildandet av de aktiva ytarterna och deras reaktionsvägar saknas i allmänhet. Denna kunskap kan endast erhållas från så kallade operandoexperiment där struktur och funktion undersöks samtidigt.
Ett samarbete mellan forskare från avdelningarna för oorganisk kemi och teori vid Fritz Haber-institutet i Max Planck Society i Berlin har gett grundläggande insikter i de processer som sker på katalysatorytan och hur detta modulerar den katalytiska prestandan under DRM.
Studien är publicerad i tidskriften Nature Catalysis .
I synnerhet studerade teamet olika syrearters roll på en nickelkatalysator under DRM genom att använda en kombination av experimentella och beräkningstekniska tekniker, inklusive operando scanning elektronmikroskopi, nära omgivande tryck röntgenfotoelektronspektroskopi och datorseende.
De lyfte fram den kritiska rollen av dissociativ CO2 adsorption vid reglering av syrehalten i katalysatorn och CH4 aktivering. Vidare upptäckte de närvaron av tre metastabila syrearter vid katalysatorn:atomärt ytsyre, syre under ytan och bulk NiOx . Intressant nog uppvisade dessa olika katalytiska egenskaper och deras samspel och transformation gav upphov till svängningar i yttillstånden och i den katalytiska funktionen.
De observerade att en del av ytsyren läckte in i katalysatormassan, vilket minskade tillgängligheten av katalysatorn för CH4 aktivering och favorisering av CO2 och O-diffusion istället.
Omfattningen av läckaget bevisades ytterligare genom röntgenspektroskopi och transmissionselektronmikroskopi, vilket avslöjade närvaron av syre flera nanometer under ytan av katalysatorerna. Följaktligen exponerades nya metalliska platser, vilket ledde till en ökad syreupptagningshastighet och en minskning av H2 /CO-produktförhållande.
Slutligen förstod de att samutfodring av CO2 är avgörande för CH4 omvandling, vilket troligen bidrar till dess aktivering tillsammans med närvaron av syresatta arter.
"Det var imponerande att se hur metastabiliteten hos Ni-O-systemet självjusterar den katalytiska prestandan och att ett element från reaktanterna kan styra hela processen, vilket beror på dess plats och dess kemi. Vi hoppas att våra resultat kan ge ny fart i justering av livslängd och selektivitet i katalys", säger PD Dr. Thomas Lunkenbein, ledare för projektet och medförfattare till studien.
Att förstå metastabiliteten hos katalysatorernas ytor, tillsammans med hur man kontrollerar dem för att stabilisera det dynamiska aktiva tillståndet, har viktiga konsekvenser för framtiden för katalys. I synnerhet ger det insikter som kan överföras till den industriella nivån och designen av reaktorer där ett aktivt tillstånd med minimala energikompromisser gynnas.
Detta kan uppnås antingen genom att använda mer potenta oxidanter, såsom vatten (H2 O) och dikväveoxid (N2 O), eller genom att arbeta med att minska syreläckaget till bulken med hjälp av nanopartiklar eller tunnfilmsteknik. Utvecklingen av katalysatorer baserade på skräddarsydda tunna filmer är i fokus för CatLab, en gemensam forskningsplattform mellan FHI, Helmholtz Center i Berlin (HZB).
Mer information: Luis Sandoval-Diaz et al, Metastabila nickel-syrearter modulerar hastighetsvängningar under torrreformering av metan, Naturkatalys (2024). DOI:10.1038/s41929-023-01090-4
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av Max Planck Society
