ขนาดของอนุภาคนาโนควบคุมรูปร่างและประสิทธิภาพของตัวเร่งปฏิกิริยาในการแปลงคาร์บอนไดออกไซด์

นักวิจัยห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Brookhaven จากกรมพลังงานอเมริกัน (DOE) พบว่าขนาดของอนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยากำหนดว่ารูปร่างและโครงสร้างของพวกเขาเปลี่ยนไปอย่างไรในระหว่างปฏิกิริยาทางเคมี ในข้อมูลเชิงลึกในอนุภาคนาโนเมื่อพวกเขาเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงที่มีประโยชน์ – และความเข้าใจที่ดีขึ้นว่าการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างส่งผลกระทบต่อผลลัพธ์การเร่งปฏิกิริยาอย่างไร – นักวิจัยได้รับการพิจารณาใหม่เพื่อออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นสำหรับการใช้งานอุตสาหกรรม

ตัวเร่งปฏิกิริยาเป็นสารที่เร่งปฏิกิริยาทางเคมี แม้ว่าพวกเขาจะสามารถสร้างการเปลี่ยนแปลงทางเคมีได้ชั่วคราว แต่ก็ไม่ได้เปลี่ยนแปลงอย่างถาวร ในการศึกษาหลายรูปแบบที่ตีพิมพ์เมื่อเร็ว ๆ นี้ วารสารสมาคมเคมีอเมริกัน นักวิทยาศาสตร์จาก Brookhaven ใช้เทคนิคที่ทรงพลังหลายอย่างในการจำแนกลักษณะตัวเร่งปฏิกิริยาที่ประกอบด้วยอนุภาคนาโนโคบอลต์ออกไซด์ซึ่งขึ้นอยู่กับ Cur ออกไซด์ ซึ่งแตกต่างจากส่วนประกอบที่ใช้กันทั่วไปของตัวเร่งปฏิกิริยาเช่นแพลตตินัมหรือแพลเลเดียมโคบอลต์และซีเรียมมีความอุดมสมบูรณ์และราคาถูกกว่ามาก

–ก่อนหน้านี้เราพบว่าระบบ nanocatalia ของโคบอลต์ออกไซด์นี้มีพฤติกรรมแตกต่างกันเมื่ออนุภาคนาโนที่มีโคบอลต์มีขนาดเล็กลง แต่เราไม่รู้ว่าทำไม– Kaixi Deng ผู้เขียนคนแรกในหนังสือพิมพ์ที่ทำการวิจัยที่ Brookhaven Lab เมื่อเขาเป็นนักเรียนที่ Stony Brook University– เติ้งเป็นนักวิจัยย่อยที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติอาร์กอนน์

ในบางกรณีอนุภาคนาโนเร่งการแปลงคาร์บอนมอนอกไซด์คาร์บอนไดออกไซด์ อีกครั้งปฏิกิริยาเกิดจากมีเธน – และบางครั้งนักวิทยาศาสตร์สังเกตการรวมกันของผลิตภัณฑ์ทั้งสอง

“เป็นสิ่งสำคัญในการควบคุมสัณฐานวิทยาของตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้ปฏิกิริยาสามารถให้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการหรืออัตราส่วนของผลิตภัณฑ์“Jose Jose Rodriguez อธิบายผู้นำของการเร่งปฏิกิริยา: ปฏิกิริยาและโครงสร้างของกลุ่มที่แผนกเคมีของ Brookhaven และผู้เขียนบนกระดาษ”ด้วยวิธีนี้เราเพิ่มประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาและเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับแอพพลิเคชั่นที่แตกต่างกัน–

ทีมวิจัยคาดหวังว่าอินเทอร์เฟซระหว่างโคบอลต์และ CUR ออกไซด์มีบทบาทสำคัญในพฤติกรรมนี้และใช้เทคนิคมาตรฐานในการเรียนรู้การเร่งปฏิกิริยาเช่น X -ray Absorption Spectroscopy ในแหล่งกำเนิด (XAS) และอินฟราเรดสเปกโทรสโกปีเพื่อเริ่มทดสอบสมมติฐานนี้

–ยังคงขาดส่วนสำคัญDelg กล่าว –นั่นคือเหตุผลที่เราต้องการทำการวัดโดยตรงของอินเทอร์เฟซนี้มากขึ้น – ผู้ที่สามารถแสดงให้เราเห็นว่าเกิดอะไรขึ้นระหว่างปฏิกิริยาเคมี– –

การทดสอบหลายรูปแบบ

กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนทั่วไปใช้ลำแสงอิเล็กตรอนเพื่อให้เห็นภาพโครงสร้างของโครงสร้างนาโนกาลาที่มีความละเอียดสูงกว่ากล้องจุลทรรศน์ที่ใช้แสง อย่างไรก็ตามการทดลองด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนมักจะดำเนินการในสุญญากาศเนื่องจากโมเลกุลอากาศอาจส่งผลกระทบต่อลำแสงอิเล็กตรอนและคุณภาพของภาพที่ถูกขัดขวาง

นักวิทยาศาสตร์ต้องการสังเกตโครงสร้างอะตอมของอนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยาต่อหน้าคาร์บอนไดออกไซด์ดังนั้นพวกเขาจึงต้องการกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนชนิดพิเศษที่สามารถรองรับก๊าซในพื้นที่ตัวอย่าง

–ที่ศูนย์กลางการทำงานของวัสดุนาโน (CFN) เราใช้สภาพแวดล้อมการส่งผ่านของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนหรือ E-TEC เพื่อตรวจสอบตัวอย่างในสภาพแวดล้อมของก๊าซและในอุณหภูมิสูงเช่นเดียวกับสภาพการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาในระหว่างปฏิกิริยาทางเคมี“Dmitri Zakharov ผู้แต่ง Co -Chairmen ในหนังสือพิมพ์และนักวิทยาศาสตร์ที่ CFN ผู้ใช้สำนักงานวิทยาศาสตร์ของ DOE ที่ Brookhaven Lab

“ E-point ไม่ใช่เครื่องมือหลัก” Zakharov กล่าวเสริม “มีให้เฉพาะในโรงงานไม่กี่แห่งทั่วโลกและการทดลองนั้นยากมากเพราะกล้องจุลทรรศน์พื้นฐานอุปกรณ์จ่ายก๊าซที่จับตัวอย่างระบบการเก็บภาพและตัวอย่างจะต้อง” ดำเนินการ “ในเวลาเดียวกันความพยายามนี้คุ้มค่า!”

การศึกษา EM ได้แสดงให้เห็นว่าเมื่ออนุภาคนาโนโคบอลต์ออกไซด์น้อยกว่า 2 นาโนเมตรสัมผัสกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์พวกมันจะย้ายจาก 3D รูปร่างเสี้ยมใน 2D ชั้นเดียวของอนุภาคที่ติดอยู่กับฐานของ CUR ออกไซด์ หลังจากถอดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกไปอนุภาคนาโนกลับไปที่รูปร่างของพีระมิด

–ความงามของระบบไดนามิกทั้งหมดนี้คืออนุภาคนาโนต้องการที่จะผูกคาร์บอนไดออกไซด์ดังนั้นพวกเขาจึงเปลี่ยนวิธีที่สร้างสถานที่มากขึ้นสำหรับการผูกคาร์บอนไดออกไซด์เพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาRodriguez กล่าว “ เราไม่เคยคิดเลยว่าเราจะพบอะไรแบบนั้น–

หากอนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้นโดยแม้แต่นาโนเมตรหนึ่ง – มันเป็นเพียงหนึ่งพันล้านเมตร – พวกเขาแสดงพฤติกรรมที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงและรักษาโครงสร้าง 3 มิติของพวกเขาแม้จะมีการเปิดตัวคาร์บอนไดออกไซด์ พฤติกรรมที่แตกต่างกันของอนุภาคนาโนอธิบายบางส่วนว่าทำไมการแปลงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สามารถให้ผลิตภัณฑ์หรือการรวมกันของผลิตภัณฑ์: คาร์บอนไดออกไซด์ส่งผลกระทบต่ออนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยาในรูปแบบที่แตกต่างกันขึ้นอยู่กับขนาดและการกำหนดค่าของอนุภาคนาโน

“ E-TE เปิดใช้งานการสร้างภาพข้อมูลโดยตรงของการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพในระหว่างปฏิกิริยาทางเคมี” เติ้งกล่าว แต่เพื่อให้เข้าใจอนุภาคนาโนตัวเร่งปฏิกิริยาอย่างเต็มที่ – และสามารถเพิ่มประสิทธิภาพตัวเร่งปฏิกิริยาในอนาคตได้ดีที่สุด – นักวิทยาศาสตร์ยังต้องเปิดเผยพฤติกรรมทางเคมีของอนุภาคนาโนในระหว่างปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นทีมจึงหันไปหาเพื่อนร่วมงานของพวกเขาจาก National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) ซึ่งเป็นอีกหนึ่งด่านหน้าด่านผู้ใช้วิทยาศาสตร์ของ DOE ที่ Brookhaven Lab

ใน NSLS-II นักวิทยาศาสตร์ใช้ เข้าที่ และ Operando Soft X -ray Proftilation (iOS) และลำแสงภายใน (ISS) ซึ่งพวกเขาดำเนินการโฟโตอิเล็กตรอน (XPS) และ XS spectroscopy (XPS) และ XS การวิจัย XPS และ XAS ให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยาเมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิที่แตกต่างกันหรือความดันก๊าซ

“ มันยอดเยี่ยมมากที่เรามีเทคนิคการจำแนกลักษณะที่ทรงพลังเหล่านี้ที่นี่ในห้องปฏิบัติการ Brookhaven” Zakharov กล่าว “ฉันเห็นทั้ง NSLS-II และ CFN Chemistry Building การใช้เครื่องมือและความรู้ผู้เชี่ยวชาญในห้องปฏิบัติการแห่งหนึ่งนั้นเป็นประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับความร่วมมือการวิจัยหลายรูปแบบเช่นนี้”

นักวิทยาศาสตร์จาก Brookhaven ยังร่วมมือกับ Wenqian Xu, Advanced Photon Source (APS) ซึ่งเป็นสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE ใน Argonne เพื่อดำเนินการเลี้ยวเบน x -ray ในแหล่งกำเนิด (XRD) บนสายการซื้อกิจการที่รวดเร็วของผง APS การศึกษา XRD นำเสนอข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับโครงสร้างผลึกทั่วไปของตัวเร่งปฏิกิริยาซึ่งตรงข้ามกับการทดลอง e-TEC ซึ่งมุ่งเน้นไปที่โครงสร้างกล้องจุลทรรศน์ในท้องถิ่น

เนื่องจากเป็นการศึกษาแบบหลายรูปแบบครั้งแรกซึ่งมีลักษณะเป็นระบบโคบอลต์ออกไซด์ nanocatalitic ในขณะที่มันเปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์นักทฤษฎีมีความสุขที่จะใช้ผลลัพธ์เพื่อสร้างแบบจำลองที่ดีกว่าของตัวเร่งปฏิกิริยา แบบจำลองเชิงทฤษฎีดังกล่าวสามารถช่วยรับรู้ได้ว่าทำไมอนุภาคนาโนแพร่กระจายบนผิว – และทำไมขนาดของพวกเขาจึงกำหนดพฤติกรรมของพวกเขา

นักวิทยาศาสตร์มีความเชี่ยวชาญในการเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อใช้ผลลัพธ์เพื่อดำเนินการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาในอนาคต ในบางกรณีพวกเขาอาจต้องการการผลิตมีเธนเพิ่มขึ้น ดังนั้นพวกเขาจึงสามารถปรับเปลี่ยนเทคนิคการสังเคราะห์ตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อให้แน่ใจว่าอนุภาคนาโนมีขนาดเล็กพอที่จะแบนด้วยฐานซีเรียม ในกรณีของการใช้งานอุตสาหกรรมอื่น ๆ พวกเขาสามารถเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันเพื่อเพิ่มโอกาสของผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาที่แตกต่างกันเช่นคาร์บอนมอนอกไซด์

“ นี่เป็นเพียงขั้นตอนเดียวในการทำความเข้าใจระบบ แต่นี่เป็นขั้นตอนที่จำเป็น” Rodriguez กล่าว “การค้นพบเหล่านี้โดยเฉพาะภาพ e-eeem จะทำหน้าที่เป็นประธานคนใหม่สำหรับนักวิทยาศาสตร์ที่ทำงานเกี่ยวกับวิธีการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาประเภทนี้”

งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานวิทยาศาสตร์ DOE ตัวอย่างที่ใช้ในการศึกษาเหล่านี้จัดทำโดยเพื่อนร่วมงานที่สถาบันคาทอลิกและปิโตรเคมีในมาดริดประเทศสเปน