مزایا و معایب اکسیژن واسطه عملکرد کاتالیزورهای نیکل در تبدیل متان خشک

کاتالیز یکی از فناوری‌های کلیدی در صنایع شیمیایی است و تأثیر گسترده‌ای بر جنبه‌های مختلف زندگی روزمره ما، از جمله تولید پلاستیک، سنتز دارو، و تولید کود و سوخت دارد. تخمین زده می شود که بیش از 90 درصد از محصولات شیمیایی امروزه با دخالت کاتالیزور در حداقل یک مرحله تولید می شوند. کاتالیز فرآیند پیچیده ای است که بر کنترل ساختاری دقیق چندین عنصر در تقاطع پایداری های فاز متکی است.

در حالی که کاتالیزورهای پایدار طولانی مدت برای ترویج واکنش های بسیار کارآمد و موثر ضروری هستند، واکنش دهنده ها دستخوش تغییرات شیمیایی عمده ای می شوند که منجر به تشکیل محصولات نهایی و مطلوب می شود. در کاتالیز ناهمگن، کاتالیزور و واکنش دهنده ها در فازهای مختلف وجود دارند.

در میان فرآیندهای مختلف کاتالیزوری ناهمگن، اصلاح متان خشک (DRM) اخیراً به موضوع توجه دانشگاهی تبدیل شده است زیرا دو گاز گلخانه‌ای، متان (CH) را تبدیل می‌کند.₄) و دی اکسید کربن (CO₂، در هیدروژن (H₂و مونوکسید کربن (CO). این مخلوط به عنوان گاز سنتز نیز شناخته می شود و می تواند برای کاهش وابستگی به سوخت های فسیلی با ساخت متوالی هیدروکربن های بزرگتر از طریق شیمی فیشر-تروپش استفاده شود.

اگرچه کاتالیزورهای مبتنی بر نیکل و کبالت که ارزان قیمت هستند و به طور گسترده در زمین در دسترس هستند، فعالیت امیدوارکننده‌ای را برای DRM نشان داده‌اند، طراحی کاتالیزورهای با کارایی بالا اغلب به دلیل ارتباط بین دینامیک شیمیایی، تشکیل گونه‌های فعال سطحی و آنها به طور کلی فاقد مسیرهای واکنش هستند. این دانش را فقط می توان از آزمایش های به اصطلاح عملوند به دست آورد، که در آن ساختار و عملکرد به طور همزمان بررسی می شوند.

آ تلاش های مشترک توسط دانشمندان دپارتمان‌های شیمی معدنی و نظریه در موسسه فریتز هابر انجمن ماکس پلانک در برلین بینش اساسی در مورد فرآیندهایی که در سطح کاتالیزور و چگونه این تعدیل می شود عملکرد کاتالیزوری در طول DRM

نظرسنجی است منتشر شده در دفتر خاطرات کاتالیزور طبیعی.

به طور خاص، این تیم نقش مختلف را مورد مطالعه قرار داد اکسیژن نوعی الف کاتالیزور نیکل در طول DRM با استفاده از ترکیبی از تکنیک‌های علوم تجربی و محاسباتی، از جمله میکروسکوپ الکترونی روبشی operando، طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس با فشار نزدیک محیطی و بینایی کامپیوتری.

آنها نقش حیاتی CO تجزیه کننده را برجسته کردند₂ جذب هنگام تنظیم محتوای اکسیژن در کاتالیزور و CH₄ فعال سازی علاوه بر این، آنها وجود سه گونه اکسیژن ناپایدار در کاتالیزور را یافتند: اکسیژن سطح اتمی، اکسیژن زیرسطحی و NiO توده._ایکس. جالب توجه است که آنها خواص کاتالیزوری متفاوتی از خود نشان می دهند و برهمکنش و تبدیل آنها باعث نوسانات در حالت های سطحی و در تابع کاتالیزوری می شود.

آنها مشاهده کردند که مقداری از اکسیژن سطحی به حجم کاتالیزور نشت می کند و در دسترس بودن را کاهش می دهد. کاتالیزور برای CH₄ فعال سازی و حمایت از CO₂ و O diffusion در عوض.

نرخ نشت بیشتر توسط طیف سنجی اشعه ایکس و انتقال نشان داده شد میکروسکوپ الکترونیوجود اکسیژن چند نانومتری زیر را آشکار می کند سطح از کاتالیزورها در نتیجه، مکان‌های فلزی جدیدی در معرض دید قرار گرفتند که منجر به افزایش نرخ جذب اکسیژن و کاهش H شد.₂نسبت محصول / CO

در نهایت، آنها دریافتند که CO تغذیه همزمان₂ برای CH ضروری است₄ تبدیل، که احتمالا به فعال شدن آن همراه با حضور گونه های اکسیژن کمک می کند.

دیدن اینکه چگونه فراپایداری سیستم Ni-O عملکرد کاتالیزوری را خود تنظیم می‌کند و اینکه یک عنصر از واکنش‌دهنده‌ها می‌تواند کل فرآیند را که به مکان و شیمی آن بستگی دارد، کنترل کند، قابل توجه بود. ما امیدواریم که یافته‌های ما بتواند انگیزه جدیدی به تنظیم طول عمر و گزینش پذیری در کاتالیزور بدهد.”

درک فراپایداری سطوح کاتالیزور، همراه با نحوه کنترل آنها برای تثبیت حالت فعال دینامیکی، پیامدهای مهمی برای آینده کاتالیزور دارد. به طور خاص، بینش هایی را ارائه می دهد که می تواند به سطح صنعتی و طراحی راکتور منتقل شود که در آن حالت فعال با حداقل تبادل انرژی ترجیح داده می شود.

این امر می تواند با استفاده از اکسیدان های قوی تر مانند آب (H₂O) و اکسید نیتروژن (ن₂O)، یا با کار برای کاهش نشت اکسیژن به حجم با استفاده از نانوذرات یا فناوری لایه نازک. توسعه کاتالیزورهای مبتنی بر لایه‌های نازک سفارشی، تمرکز CatLab، یک پلت فرم تحقیقاتی مشترک بین FHI، مرکز هلمهولتز در برلین (HZB) است.