Νέος τρόπος για την ενίσχυση της δραστηριότητας του καταλύτη

[Giannis]

Οι καταλύτες είναι workhorses που βοηθούν τις αντιδράσεις να συμβούν. Όταν τίθενται σε λειτουργία, μετατρέπουν τις πρώτες ύλες, όπως ορυκτά καύσιμα, βιομάζα ή ακόμα και απόβλητα, σε προϊόντα και καύσιμα με ελάχιστη ενέργεια.

Ερευνητές στο Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) στο Πανεπιστήμιο του Ντέλαγουερ βρήκαν έναν τρόπο να βελτιώσουν την ικανότητα των καταλυτών που κατασκευάζονται από οξείδια μετάλλων να μετατρέπουν μη βρώσιμα φυτά, όπως το ξύλο, το γρασίδι και το καλαμπόκι - τα φύλλα , κοτσάνια και στάχυα που έχουν απομείνει στα χωράφια μετά τη συγκομιδή — σε ανανεώσιμα καύσιμα, χημικά και πλαστικά.

Οι καταλύτες μετάλλου-οξειδίου μετάλλου είναι κεντρικοί για τις αντιδράσεις για την αναβάθμιση πετροχημικών, λεπτών χημικών, φαρμακευτικών προϊόντων και βιομάζας.

Η στρατηγική της ερευνητικής ομάδας αξιοποίησε τη δυναμική φύση των καταλυτών οξειδίου της πλατίνας-βολφραμίου για τη μετατροπή αυτών των πρώτων υλών σε προϊόντα έως και 10 φορές πιο γρήγορα από τις παραδοσιακές μεθόδους. Είναι το είδος της καινοτόμου καταλυτικής τεχνολογίας που θα μπορούσε να βοηθήσει στην έναρξη ενός πιο βιώσιμου και πιο πράσινου μέλλοντος, όπου οι διαδικασίες απαιτούν λιγότερο καταλύτη για να λειτουργήσουν, οδηγώντας σε λιγότερα απόβλητα και λιγότερη συνολική χρήση ενέργειας.

Οι ερευνητές του CCEI ανέφεραν τα ευρήματά τους στο Nature Catalysis στις 21 Φεβρουαρίου.

Ενίσχυση της καταλυτικής δραστηριότητας

Η επιφάνεια ενός καταλύτη περιέχει πολλαπλές ενεργές θέσεις στις οποίες συμβαίνουν χημικές αντιδράσεις. Αυτές οι ενεργές τοποθεσίες είναι ευαίσθητες και δυναμικές, αλλάζουν ως απόκριση στο περιβάλλον τους με εξαιρετικά πολύπλοκους και συχνά δύσκολους στην πρόβλεψη τρόπους. Ως αποτέλεσμα, λίγα είναι γνωστά για το πώς λειτουργούν οι διαδικασίες σε αυτούς τους ενεργούς ιστότοπους ή πώς αλληλεπιδρούν οι ιστότοποι με το περιβάλλον τους. Οι παραδοσιακές προσεγγίσεις για την αύξηση της κατανόησης, όπως η μελέτη των καταλυτών υπό στατικές συνθήκες σε έναν χημικό αντιδραστήρα, δεν λειτουργούν.

Έτσι, οι ερευνητές του CCEI συνδύασαν μοντελοποίηση, προηγμένες συνθετικές τεχνικές, in-situ φασματοσκοπίες και αντιδράσεις ανιχνευτή για να δουν καλύτερα πώς συνδυάζονται τα υλικά καταλύτη πλατίνας και οξειδίου τρι-βολφραμίου, ποια δομή έχουν και τι συμβαίνει στην επιφάνεια του καταλύτη. Συγκεκριμένα, η ερευνητική ομάδα ενδιαφέρθηκε για το πώς οι ενεργές θέσεις σε έναν καταλύτη (όπου συμβαίνουν οι χημικές αντιδράσεις ) εξελίσσονται με την πάροδο του χρόνου και όταν εκτίθενται σε συγκεκριμένες αλλαγές.

«Εντοπίζοντας τα ενδεικτικά σημάδια της δυναμικής τους, μπορέσαμε να δημιουργήσουμε, για πρώτη φορά, ένα ισχυρό μοντέλο για να προβλέψουμε τη συμπεριφορά τους σε διάφορα εργασιακά περιβάλλοντα», δήλωσε ο Jiayi Fu, ο κύριος συγγραφέας της εργασίας, ο οποίος πρόσφατα απέκτησε το διδακτορικό του δίπλωμα UD. στη χημική μηχανική και τώρα εργάζεται στο Bristol Myers Squibb.

Ο Φου εξήγησε ότι οι επιφάνειες του καταλύτη -όπως τα φυτά- ανθίζουν όταν τους δίνεται η σωστή ισορροπία ηλιοφάνειας και διατροφής. Η ερευνητική ομάδα έδειξε με επιτυχία μια νέα στρατηγική «άρδευσης» που χρησιμοποιεί παλμούς υδρογόνου για να αυξήσει σημαντικά τον πληθυσμό των ενεργών θέσεων σε αυτούς τους καταλύτες, επιτρέποντας τις αντιδράσεις να συμβαίνουν 10 φορές πιο γρήγορα.

"Δεν ποτίζουμε στην πραγματικότητα τους καταλύτες, αυτό είναι απλώς μια μεταφορά. Αλλά, με παλμό αερίου υδρογόνου και σβήσιμο, δημιουργούμε αυτές τις ενεργές θέσεις που μιμούνται το νερό, μέσω μιας διαδικασίας γνωστής ως υδροξυλίωσης", δήλωσε ο Dion Vlachos, ο Unidel Dan Rich. Έδρα στην Ενέργεια, καθηγητής χημικής και βιομοριακής μηχανικής και διευθυντής του CCEI. "Αυτές οι ενεργές θέσεις κάνουν στη συνέχεια τη χημεία. Έτσι, όπως το φως και το νερό τροφοδοτούν τα φυτά, εδώ τροφοδοτούμε υδρογόνο για να "ποτίσουμε" τον καταλύτη και τον κάνουμε να παράγει - ή να αναπτύσσει - νέες χημικές ουσίες."

Η εργασία απεικονίζει ένα επιτυχημένο παράδειγμα του πώς οι προσομοιώσεις μπορούν να προβλέψουν την καταλυτική συμπεριφορά και να επιτρέψουν τον ορθολογικό σχεδιασμό πιο αποτελεσματικών καταλυτικών διαδικασιών, είπε ο Βλάχος, ο οποίος διευθύνει επίσης το Ινστιτούτο Ενέργειας του Ντέλαγουερ. Τα ευρήματα παρέχουν επίσης έναν βιώσιμο τρόπο μελέτης, κατανόησης και ελέγχου αυτής της σημαντικής κατηγορίας καταλυτών.

«Είναι γνωστό ότι οι καταλύτες εξελίσσονται και ανταποκρίνονται στο περιβάλλον τους, αλλά το κάνουν γρήγορα, με τρόπους που ήταν δύσκολο να παρατηρηθούν σε πραγματικό χρόνο», είπε. «Αυτή η εργασία θέτει μια πλατφόρμα για τον τρόπο ανάλυσης της εργασιακής τους συμπεριφοράς και, κυρίως, για τον τρόπο σχεδιασμού τους για άνευ προηγουμένου βελτίωση της απόδοσης».