幾乎所有的化學品和燃料生產(chǎn)都依賴于催化劑，催化劑可以加速化學反應(yīng)而不會在過程中被消耗。大多數(shù)這些反應(yīng)發(fā)生在巨大的反應(yīng)器容器中，可能需要高溫和高壓。

科學家們一直在研究用電而不是熱來驅(qū)動這些反應(yīng)的替代方法。這可能允許由可再生電力驅(qū)動的廉價、高效、分布式制造。

但是專注于這兩種方法(熱與電)的研究人員傾向于獨立工作，開發(fā)適合其特定反應(yīng)環(huán)境的不同類型的催化劑。

一項新的研究旨在改變這種狀況。斯坦福大學和能源部 SLAC 國家加速器實驗室的科學家今天報告說，他們已經(jīng)制造出一種新的催化劑，既可以加熱也可以用電。該催化劑以鎳原子為基礎(chǔ)，加速將二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳的反應(yīng)——這是從 CO 2制造燃料和有用化學品的第一步。

SLAC 和斯坦福大學教授、SUNCAT 界面科學與催化研究所所長 Thomas Jaramillo 說，這些結(jié)果代表了統(tǒng)一理解在這兩種截然不同的條件下對催化反應(yīng)的理解的重要一步。發(fā)生。

“這在我們的領(lǐng)域是罕見的，”他說。“事實上，我們可以將它整合到一個框架中以研究相同的材料，這使這項工作與眾不同，它開辟了一條以更廣泛的方式研究催化劑的全新途徑。”

研究小組說，結(jié)果還解釋了新催化劑如何在電化學反應(yīng)器中使用時更快地驅(qū)動這一關(guān)鍵反應(yīng)。他們的報告本周發(fā)表在Angewandte Chemie的印刷版上。

邁向可持續(xù)的化學未來

尋找將 CO 2轉(zhuǎn)化為化學品、燃料和其他產(chǎn)品(從甲醇到塑料和合成天然氣)的方法是 SUNCAT 研究的重點。如果大規(guī)模使用可再生能源，它可以為回收溫室氣體創(chuàng)造市場激勵。這將需要新一代的催化劑和工藝，以在工業(yè)規(guī)模上廉價有效地進行這些轉(zhuǎn)化——而實現(xiàn)這些發(fā)現(xiàn)將需要新的想法。

為了尋找一些新的方向，SUNCAT組建了一個博士團隊。斯坦福大學化學工程系三個研究小組的學生：來自Stacey Bent教授小組的Sindhu Nathan，其研究重點是熱驅(qū)動催化反應(yīng)，以及由Jaramillo和Zhenan Bao教授共同指導并一直專注于研究的David Koshy關(guān)于電化學反應(yīng)。

Nathan 的工作旨在從基本的原子水平上理解熱驅(qū)動的催化反應(yīng)。

“熱驅(qū)動反應(yīng)是現(xiàn)在工業(yè)中常用的方法，”她說。“對于某些反應(yīng)，熱驅(qū)動過程的實施將具有挑戰(zhàn)性，因為它可能需要非常高的溫度和壓力才能進行所需的反應(yīng)。”

Koshy 說，用電力驅(qū)動反應(yīng)可以使一些轉(zhuǎn)換更有效率，“因為你不必加熱，而且你還可以使反應(yīng)堆和其他組件更小、更便宜、更模塊化——而且這是一個很好的利用方式可再生資源。”

研究這兩種類型反應(yīng)的科學家并行工作，很少互動，因此他們沒有很多機會相互了解可能有助于他們設(shè)計更有效催化劑的見解。

但如果這兩個陣營可以在同一種催化劑上發(fā)揮作用，它將為統(tǒng)一他們對兩種環(huán)境中反應(yīng)機制的理解奠定基礎(chǔ)，Jaramillo 說。“我們有理論上的理由認為相同的催化劑在兩組反應(yīng)條件下都能起作用，”他說，“但這個想法還沒有經(jīng)過測試。”

催化劑發(fā)現(xiàn)的新途徑

在他們的實驗中，該團隊選擇了 Koshy 最近合成的一種名為 NiPACN 的催化劑。催化劑的活性部分——它抓住通過的分子，讓它們反應(yīng)并釋放產(chǎn)物的地方——由與散布在整個碳材料中的氮原子結(jié)合的單個鎳原子組成。Koshy 的研究已經(jīng)確定 NiPACN 可以高效地驅(qū)動某些電化學反應(yīng)。它可以在熱條件下做同樣的事情嗎?

為了回答這個問題，該團隊將粉狀催化劑帶到了 SLAC 的斯坦福同步輻射光源 (SSRL)。他們與杰出的科學家西蒙·巴爾合作開發(fā)了一個微型反應(yīng)器，催化劑可以在高溫高壓下加速氫氣和二氧化碳之間的反應(yīng)。該設(shè)置允許他們通過窗口將 X 射線照射到反應(yīng)中并觀察反應(yīng)進行。

特別是，他們想看看反應(yīng)器內(nèi)的惡劣條件是否會改變催化劑，因為它促進了氫氣和 CO 2之間的反應(yīng)。

“人們可能會說，你怎么知道原子結(jié)構(gòu)沒有改變，這使得它與我們之前在電化學反應(yīng)中測試的催化劑略有不同?” 科希說。“我們必須證明，當反應(yīng)完成時，鎳反應(yīng)中心看起來仍然相同。”

這正是他們在用 X 射線和透射電子顯微鏡檢查反應(yīng)前后的原子細節(jié)時發(fā)現(xiàn)的。

研究小組寫道，展望未來，像這樣的研究對于統(tǒng)一跨反應(yīng)環(huán)境的催化現(xiàn)象研究至關(guān)重要，這最終將促進發(fā)現(xiàn)用于改變?nèi)剂虾突瘜W工業(yè)的新催化劑的努力。