High-Selective CO Production via Carbonate Hydrogenation Mechanism over K-Ni/MgO Catalyst in Low Temperature CO2 Hydrogenation at 350 ℃
Questo studio dimostra che un catalizzatore a nanosheets di Ni/MgO promosso con K ottiene una produzione di CO altamente selettiva attraverso una via mediata da carbonato-bicarbonato a 350 °C, sopprimendo efficacementamente la metanazione e superando la maggior parte dei catalizzatori a base di metalli nobili per l'idrogenazione della CO2 a bassa temperatura.
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L'atmosfera si sta lentamente riempiendo di anidride carbonica, un gas che intrappola il calore e guida il cambiamento climatico. Un modo promettente per gestire questo eccesso è catturarlo e trasformarlo nuovamente in combustibile o prodotti chimici utili, chiudendo efficacemente il ciclo dell'uso del carbonio da parte dell'uomo. Tuttavia, trasformare l'anidride carbonica in qualcos'altro è chimicamente difficile. È una molecola molto stabile, il che significa che resiste alla scomposizione. Per farla reagire, gli scienziati devono aggiungere idrogeno. Quando l'anidride carbonica e l'idrogeno si mescolano, possono seguire percorsi diversi. Un percorso porta al metano, un gas semplice che brucia bene ma che è già abbondante. Un altro percorso porta al monossido di carbonio, una molecola che funge da mattone fondamentale per la produzione di combustibili liquidi e prodotti chimici complessi. La sfida è che le condizioni che favoriscono un percorso spesso favoriscono l'altro, e far sì che la reazione si fermi al monossido di carbonio senza arrivare fino al metano è notoriamente difficile, specialmente alle temperature più basse dove l'uso di energia è efficiente.
I ricercatori della East China Normal University hanno trovato un modo per guidare questa reazione lungo il percorso del monossido di carbonio utilizzando un catalizzatore fatto di nichel e ossido di magnesio, perfezionato con una piccola quantità di potassio. Nel loro studio, hanno dimostrato che questa specifica miscela può trasformare l'anidride carbonica in monossido di carbonio con una precisione straordinaria a una temperatura di 350 gradi Celsius. Mentre i comuni catalizzatori di nichel trasformano quasi tutta l'anidride carbonica in metano in queste condizioni, il nuovo catalizzatore ha prodotto monossido di carbonio con una selettività superiore al 97 percento. Ciò significa che, su ogni cento atomi di carbonio che hanno reagito, più di 97 sono diventati monossido di carbonio e meno di tre sono diventati metano. Il catalizzatore ha inoltre mantenuto questa elevata prestazione per oltre 320 ore di funzionamento continuo, dimostrando di essere abbastanza stabile per un uso pratico.
Il segreto di questo successo risiede nel modo in cui il potassio cambia il comportamento del nichel. Normalmente, il nichel è molto bravo ad agganciare molecole contenenti ossigeno e ad aggiungere loro idrogeno passo dopo passo fino a farle diventare metano. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta di potassio crea un tipo diverso di chimica superficiale. Il potassio rende la superficie molto basica, il che aiuta ad agganciare l'anidride carbonica e a trattenerla come una specie carbonato. Inveve di seguire la rotta abituale che porta al metano, la reazione prende una scorciatoia. Il carbonato si trasforma in un intermedio bicarbonato, che poi si scompone direttamente in monossido di carbonio e acqua. Questo nuovo percorso evita i passaggi che normalmente porterebbero al metano. Anche il potassio cambia la natura elettronica del nichel, rendendolo meno desideroso di trattenere il monossido di carbonio una volta che questo si è formato. Ciò permette al monossido di carbonio di sfuggire rapidamente dalla superficie prima che possa essere trasformato in metano.
Per capire esattamente cosa stesse accadendo, il team ha utilizzato una combinazione di strumenti avanzati. Hanno osservato la reazione in tempo reale utilizzando la spettroscopia infrarossa, che agisce come una telecamera che vede i legami chimici delle molecole mentre si formano e si rompono. Hanno anche utilizzato speciali atomi di carbonio che fungono da traccianti per dimostrare che il carbonio nel prodotto finale proveniva direttamente dal gas di anidride carbonica che hanno alimentato nel reattore. Questi esperimenti hanno confermato che la reazione non stava seguendo il vecchio e familiare percorso di formazione di un intermedio formiato, che porta al metano. Inve al, stava ciclando attraverso specie carbonato e bicarbonato. Il team ha anche testato il catalizzatore contro altri modificati con diversi metalli alcalini come sodio o litio. Solo la versione con il potassio è stata in grado di bloccare completamente il percorso del metano e mantenere la reazione concentrata sul monossido di carbonio.
I risultati suggeriscono una strategia chiara per progettare migliori catalizzatori. Utilizzando un metallo economico e abbondante come il nichel e modificandolo con un promotore di metallo alcalino, è possibile indirizzare una reazione chimica difficile verso un prodotto specifico e prezioso senza dover ricorrere a metalli preziosi costosi come platino o rutenio. Lo studio ha dimostrato che, a 350 gradi Celsius, il nuovo catalizzatore poteva produrre monossido di carbonio a un tasso di 360,3 millimoli per grammo di catalizzatore per ora, una prestazione che eguaglia o supera molti dei costosi catalizzatori a base di metalli nobili attualmente utilizzati per questo scopo. Questo lavoro non dimostra solo che un nuovo catalizzatore funziona; spiega esattamente perché funziona, rivelando un ciclo chimico specifico che evita la profonda idrogenazione che crea il metano. Questa intuizione fornisce una tabella di marcia per gli ingegneri che vogliono costruire sistemi in grado di convertire efficientemente l'anidride carbonica catturata nei mattoni necessari per un'industria chimica sostenibile.
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