Para ilmuwan memecahkan teka -teki beberapa dekade dalam konversi bahan bakar dioksida

Penelitian baru telah mengungkapkan mekanisme mendasar yang membatasi kinerja katalis tembaga: komponen penting dalam fotosintesis buatan yang mengubah karbon dioksida dan air menjadi pembakaran dan bahan kimia yang berharga.

Dalam sebuah penelitian yang diarahkan oleh para ilmuwan dari Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) dan Laboratorium Akselerator Nasional SLAC, para peneliti telah menggunakan teknik x -ray yang canggih untuk secara langsung mengamati bagaimana bagaimana cara bagaimana cara mengamati bagaimana cara langsung bagaimana bagaimana cara bagaimana cara mengamati bagaimana bagaimana bagaimana cara bagaimana cara mengamati bagaimana bagaimana cara bagaimana cara mengamati bagaimana caranya secara langsung bagaimana bagaimana cara bagaimana cara bagaimana cara mengamati bagaimana caranya secara langsung bagaimana bagaimana cara mengamati bagaimana caranya secara langsung bagaimana bagaimana cara mengamati bagaimana caranya secara langsung bagaimana bagaimana cara mengamati bagaimana caranya secara langsung bagaimana cara mengamati bagaimana caranya secara langsung bagaimana secara langsung mengamati bagaimana caranya secara langsung secara langsung mengamati bagaimana bagaimana secara langsung secara langsung mengamati bagaimana secara langsung Nanopartikel tembaga Ubah selama Proses katalitik.

Saat menerapkan dispersi sudut kecil (SAXS), teknik yang secara tradisional digunakan untuk mempelajari bahan lunak seperti polimer, ke sistem katalis ini, peralatan yang memperoleh informasi yang belum pernah terjadi sebelumnya tentang degradasi katalis yang membuat para ilmuwan bingung selama beberapa dekade.

Pekerjaan ini adalah bagian dari DOE DOE Alliance Energy Innovation Center (LISA). Disutradarai oleh Caltech dalam hubungan erat dengan Berkeley Lab, Lisa menyatukan lebih dari 100 ilmuwan dari Mitra Laboratorium Nasional di SLAC dan Laboratorium Energi Terbarukan Nasional, dan mitra universitas di UC Irvine, UC San Diego dan Universitas Oregon.

Dirilis pada tahun 2020, kolaborasi multi -konstitusional ini mengembangkan prinsip -prinsip ilmiah yang diperlukan untuk bahan bakar cairan secara efisien dan selektif dari sinar matahari, air, karbon dioksida dan nitrogen.

CO₂ Reaksi reduksi elektrokimia (CO₂RR) Proses ini telah membangkitkan minat para ilmuwan selama beberapa dekade sebagai cara yang menjanjikan untuk membuat bahan bakar dan senyawa penting lainnya. Kemajuan besar pada 1980 -an mengidentifikasi tembaga sebagai katalis kinerja tinggi untuk mengubah CO₂ dan air dalam bahan -bahan awal untuk bahan bakar cair dan bahan kimia seperti etilen dan etanol.

Studi selanjutnya menunjukkan bahwa tembaga berisi Situs aktif Di mana elektrokatalisis terjadi: elektron permukaan tembaga berinteraksi dengan karbon dioksida dan air dalam urutan langkah -langkah yang mengubahnya menjadi produk seperti bahan bakar etanol dan etilen untuk plastik. Para peneliti sedang menyelidiki cara -cara untuk menyesuaikan situs -situs aktif ini untuk secara selektif menghasilkan bahan kimia spesifik, termasuk etanol, etilen dan propanol.

Tetapi sifat super katalitik tembaga dengan cepat terdegradasi selama CO₂RR, mengurangi kinerjanya dari waktu ke waktu. Selama bertahun -tahun, para peneliti telah mencari cara untuk mencegah hilangnya kinerja ini, tetapi proses kimia dan fisik yang mengendalikan degradasi ini tidak jelas.

Dengan studi tentang peneliti Berkeley Lab dan SLAC—diterbitkan Baru -baru ini dalam dirinya Jurnal American Chemical Society—Yang proses yang kurang misterius berkat aplikasi inovatif teknik dispersi dan gambar yang memungkinkan para peneliti untuk mengidentifikasi dan mengamati dua mekanisme kompetitif yang mendorong partikel nano tembaga ke tepi degradasi dalam sebuah co –₂Katalis RR: Partikel dan migrasi koalesensi (PMC), di mana partikel yang lebih kecil bergabung dalam pematangan terbesar, dan Ostwald, di mana partikel yang lebih besar tumbuh dengan mengorbankan partikel yang lebih kecil.

“Our approach allowed us to explore how Nanoescala’s size distribution evolves according to the operating conditions, and identify two different mechanisms that we can then use to guide our efforts to stabilize these systems and protect them from degradation,” said Walter Drisdell, an author of coororcios in the document who is also a scientist of Berkeley Labing personnel from the Division of Chemical Sciences and Smooth

Dalam penelitian ini, para peneliti menggunakan teknik yang disebut dispersi x -ray dari sudut kecil (SAXS) dalam Synchrotron Radiation Lightce (SSRL) dalam SLAC untuk melacak ukuran dan bentuk distribusi nanopartikel oksida tembaga dari 7 nanometer secara elektrol.

Saat mengeksekusi CO₂Reaksi RR selama satu jam, para peneliti menemukan bahwa proses PMC mendominasi dalam 12 menit pertama, dan kemudian, setelah itu, pematangan Ostwald mengambil alih. Di bawah mekanisme PMC, nanopartikel bermigrasi dan berikatan dengan kelompok. Ketika proses pematangan Ostwald menjaga, nanopartikel terkecil larut dan disimpan lagi dalam nanopartikel yang lebih besar, proses yang sama yang dapat membuat kristal air renyah dalam es krim.

Analisis lain dalam penelitian ini menunjukkan bahwa tegangan terendah, di mana reaksi lebih lambat, memicu migrasi dan aglomerasi proses PMC, dan tegangan terbesar reaksi kecepatan, meningkatkan proses pembubaran dan penebusan pematangan Ostwald.

Pengukuran spektroskopi serapan x -ray in situ (XAS) yang dipisahkan dalam SSRL menunjukkan bahwa nanopartikel oksida tembaga dikurangi menjadi logam tembaga sebelum restrukturisasi dimulai, dan gambar pasca -mortem mengkonfirmasi bahwa nanopartikel telah bermigrasi dan membentuk aglomerat besar. Gambar tersebut dicapai dengan menggunakan teknik mikroskop elektronik canggih di Laboratorium Molekul Berkeley.

“Hasil ini menunjukkan beberapa strategi mitigasi untuk melindungi katalis tergantung pada kondisi operasional yang diinginkan, seperti peningkatan bahan dukungan untuk membatasi PMC atau strategi paduan dan pelapis fisik untuk memperlambat untuk memperlambat dan mengurangi pematangan Ostwald,” kata Drisdell.

Dalam studi selanjutnya, Drisdell dan Rencana Tim Molekul organikdan membuktikan kemampuan pelapis ini untuk mengarahkan CO₂Reaksi RR dalam produksi bahan bakar dan bahan kimia spesifik.