Katalysatoren sind Arbeitspferde, die Reaktionen ermöglichen. Bei ihrer Arbeit verwandeln sie Ausgangsstoffe wie fossile Brennstoffe, Biomasse oder sogar Abfälle mit minimalem Energieaufwand in Produkte und Brennstoffe.
Forscher des Catalysis Center for Energy Innovation (CCEI) an der Universität von Delaware haben einen Weg gefunden, die Fähigkeit von Katalysatoren aus Metall-Metall-Oxiden zu verbessern, um nicht essbare Pflanzen wie Holz, Gras und Maisstroh - die Blätter, Stängel und Kolben, die nach der Ernte auf den Feldern zurückbleiben - in erneuerbare Brennstoffe, Chemikalien und Kunststoffe umzuwandeln.
Metall-Metalloxid-Katalysatoren sind von zentraler Bedeutung für Reaktionen zur Veredelung von Petrochemikalien, Feinchemikalien, Pharmazeutika und Biomasse.
Die Strategie des Forscherteams nutzt die dynamische Natur von Platin-Wolframoxid-Katalysatoren, um diese Ausgangsstoffe bis zu zehnmal schneller in Produkte umzuwandeln als mit herkömmlichen Methoden. Diese Art innovativer katalytischer Technologie könnte den Weg in eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Zukunft ebnen, in der Prozesse weniger Katalysator benötigen, was zu weniger Abfall und einem geringeren Gesamtenergieverbrauch führt.
Verstärkung der Katalysatoraktivität
Die Oberfläche eines Katalysators enthält mehrere aktive Stellen, an denen chemische Reaktionen ablaufen. Diese aktiven Stellen sind empfindlich und dynamisch und verändern sich als Reaktion auf ihre Umgebung auf sehr komplexe und oft schwer vorhersehbare Weise. Daher ist nur wenig darüber bekannt, wie Prozesse an diesen aktiven Stellen ablaufen oder wie die Stellen mit ihrer Umgebung interagieren. Herkömmliche Ansätze zur Verbesserung des Verständnisses, wie die Untersuchung von Katalysatoren unter statischen Bedingungen in einem chemischen Reaktor, funktionieren nicht.
Die CCEI-Forscher kombinierten daher Modellierung, fortschrittliche Synthesetechniken, In-situ-Spektroskopie und Sondenreaktionen, um besser zu verstehen, wie sich Platin- und Triwolframoxid-Katalysatormaterialien zusammensetzen, welche Struktur sie annehmen und was auf der Katalysatoroberfläche geschieht. Das Forschungsteam interessierte sich insbesondere dafür, wie sich die aktiven Stellen eines Katalysators (an denen die chemischen Reaktionen ablaufen) im Laufe der Zeit und bei bestimmten Veränderungen entwickeln.
"Indem wir die verräterischen Zeichen ihrer Dynamik identifizierten, konnten wir zum ersten Mal ein robustes Modell erstellen, um ihr Verhalten in verschiedenen Arbeitsumgebungen vorherzusagen", sagte Jiayi Fu, der Hauptautor der Arbeit, der vor kurzem an der UD in Chemieingenieurwesen promoviert hat und jetzt bei Bristol Myers Squibb arbeitet.
Fu erklärte, dass Katalysatoroberflächen - wie Pflanzen - gedeihen, wenn sie das richtige Gleichgewicht von Sonne und Nahrung erhalten. Das Forschungsteam demonstrierte erfolgreich eine neuartige "Bewässerungs"-Strategie, bei der Wasserstoffimpulse eingesetzt werden, um die Population aktiver Stellen auf diesen Katalysatoren deutlich zu erhöhen, so dass Reaktionen zehnmal schneller ablaufen können.
"Wir bewässern die Katalysatoren nicht wirklich, das ist nur eine Metapher. Aber indem wir das Wasserstoffgas pulsierend ein- und ausschalten, schaffen wir diese aktiven Stellen, die Wasser imitieren, durch einen Prozess, der als Hydroxylierung bekannt ist", sagte Dion Vlachos, der Unidel Dan Rich Lehrstuhl für Energie, Professor für chemische und biomolekulare Technik und Direktor des CCEI. "Diese aktiven Stellen übernehmen dann die Chemie. So wie Licht und Wasser die Pflanzen ernähren, führen wir hier Wasserstoff zu, um den Katalysator zu 'wässern' und ihn dazu zu bringen, neue Chemikalien zu produzieren - oder zu wachsen."
Die Arbeit ist ein gelungenes Beispiel dafür, wie Simulationen das katalytische Verhalten vorhersagen und die rationelle Gestaltung effizienterer katalytischer Prozesse ermöglichen können, so Vlachos, der auch das Delaware Energy Institute leitet. Die Ergebnisse bieten auch eine praktikable Möglichkeit, diese wichtige Klasse von Katalysatoren zu untersuchen, zu verstehen und zu kontrollieren.
"Es ist bekannt, dass Katalysatoren sich entwickeln und auf ihre Umgebung reagieren, aber sie tun dies schnell und auf eine Art und Weise, die bisher schwer in Echtzeit zu beobachten war", sagte er. "Diese Arbeit schafft eine Grundlage dafür, wie man ihr Arbeitsverhalten analysieren und, was noch wichtiger ist, wie man sie für eine beispiellose Leistungssteigerung konstruieren kann.
Originalveröffentlichung
- Fu, J., Liu, S., Zheng, W. et al.; "Modulating the dynamics of Brønsted acid sites on PtWOx inverse catalyst"; Nat Catal 5, 144–153 (2022)