Chất xúc tác cải tiến biến khí nhà kính độc hại thành nhiên liệu sạch hơn, nguyên liệu hóa học - bao gồm hydro
Phản ứng hóa học có thể chuyển đổi hai loại khí nhà kính gây ô nhiễm thành các khối xây dựng có giá trị cho nhiên liệu và nguyên liệu sạch hơn, nhưng nhiệt độ cao cần thiết cho phản ứng cũng làm vô hiệu hóa chất xúc tác. Một nhóm do Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Bộ Năng lượng dẫn đầu đã tìm ra cách ngăn chặn việc ngừng hoạt động. Chiến lược này có thể áp dụng rộng rãi cho các chất xúc tác khác.
Nhóm nghiên cứu đã cải tiến một phản ứng gọi là cải cách khô của khí mêtan chuyển đổi khí mêtan và carbon dioxide thành khí tổng hợp, một hỗn hợp có giá trị của hydro và carbon monoxide được sử dụng bởi các công ty dầu mỏ và hóa chất trên toàn thế giới. Nhóm nghiên cứu đã nộp đơn xin cấp bằng sáng chế cho phát minh của họ như một cách để giảm thiểu sự ngừng hoạt động xúc tác.
Felipe Polo-Garzon của ORNL, người cùng với Junyan Zhang của ORNL, dẫn đầu nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications, cho biết:
Syngas rất quan trọng vì nó là một nền tảng để sản xuất rất nhiều hóa chất tiêu thụ hàng loạt,
Cải thiện chất xúc tác giúp tăng tốc sản xuất khí tổng hợp có thể có tác động to lớn đến an ninh năng lượng toàn cầu, nhiên liệu sạch hơn và nguyên liệu hóa chất. Ở các quốc gia thiếu trữ lượng dầu, khí tổng hợp có nguồn gốc từ than hoặc khí đốt tự nhiên rất quan trọng để sản xuất nhiên liệu diesel và xăng. Hơn nữa, các thành phần khí tổng hợp có thể được sử dụng để sản xuất các hóa chất hàng hóa khác. Ví dụ, hydro có thể được sử dụng như một nhiên liệu sạch hoặc làm nguyên liệu cho amoniac để tạo ra phân bón. Methanol, một loại rượu có thể được làm từ khí tổng hợp, là nguồn cung cấp thành phần để sản xuất nhựa, vải tổng hợp và dược phẩm. Methanol cũng là một chất mang hydro tốt, khó gây áp suất và nguy hiểm khi vận chuyển. Là loại rượu đơn giản nhất, metanol chứa tỷ lệ hydro trên cacbon cao nhất; Nó có thể được vận chuyển an toàn và chuyển đổi thành hydro tại điểm đến.
Viện trợ của Polo-Garzon,
Phản ứng [tái tạo khô của khí mêtan] này nghe có vẻ hấp dẫn vì bạn đang chuyển đổi hai khí nhà kính thành một hỗn hợp có giá trị,
"Tuy nhiên, vấn đề trong nhiều thập kỷ là các chất xúc tác cần thiết để thực hiện phản ứng này không hoạt động nhanh chóng trong các điều kiện phản ứng, khiến phản ứng này không khả thi ở quy mô công nghiệp."
Để đạt được sự chuyển đổi đáng kể của các chất phản ứng, phản ứng phải được tiến hành ở nhiệt độ lớn hơn 650 độ C, hoặc 1.200 độ F.
Polo-Garzon nói,
Ở nhiệt độ cao này, các chất xúc tác trải qua hai quá trình khử hoạt động,
"Một là thiêu kết, trong đó bạn mất các vị trí bề mặt thực hiện phản ứng. Thứ hai là sự hình thành than cốc - về cơ bản là carbon rắn ngăn chất xúc tác tiếp xúc với các chất phản ứng."
Chất xúc tác hoạt động bằng cách cung cấp một diện tích bề mặt lớn cho các phản ứng. Các nguyên tử kim loại như niken có tính chất điện tử cho phép chúng liên kết tạm thời các chất phản ứng, làm cho các liên kết hóa học dễ dàng phá vỡ và tạo ra hơn. Thiêu kết làm cho các hạt niken vón cục, làm giảm diện tích bề mặt có sẵn cho các phản ứng hóa học.
Tương tự như vậy, than cốc nghẹt một chất xúc tác.
Zhang nói,
Trong quá trình phản ứng trên bề mặt chất xúc tác, khí mêtan sẽ mất từng nguyên tử hydro của nó cho đến khi chỉ còn lại một nguyên tử cacbon,
"Nếu không có oxy liên kết với nó, carbon còn sót lại sẽ kết tụ trên bề mặt niken của chất xúc tác, bao phủ bề mặt hoạt động của nó. Sự lắng đọng luyện cốc này gây ra sự vô hiệu hóa. Nó cực kỳ phổ biến trong xúc tác nhiệt để chuyển đổi hydrocacbon.
Ngày nay, hầu hết các khí tổng hợp thương mại được tạo ra bằng cách cải tạo khí mêtan bằng hơi nước, một quá trình đòi hỏi một lượng lớn nước và nhiệt và cũng tạo ra carbon dioxide. Ngược lại, tái tạo khô của khí mêtan không cần nước và thực sự tiêu thụ carbon dioxide và khí mêtan.
Bằng cách điều chỉnh tương tác giữa các vị trí hoạt động kim loại và hỗ trợ trong quá trình tổng hợp chất xúc tác, các nhà khoa học đã ngăn chặn sự hình thành than cốc và thiêu kết kim loại. Chất xúc tác mới cung cấp hiệu suất vượt trội cho việc tái tạo khô khí mêtan với khả năng khử hoạt cực kỳ chậm.
Felipe Polo-Garzon, nhà hóa học xúc tác tại ORNL, cho biết:
Chúng tôi dựa vào thiết kế hợp lý, không phải thử và sai, để làm cho chất xúc tác tốt hơn. Chúng tôi không chỉ phát triển một chất xúc tác.
"Chúng tôi đang phát triển các nguyên tắc thiết kế để ổn định chất xúc tác cho một loạt các quy trình công nghiệp. Đối với ngành công nghiệp, điều đó rất quan trọng bởi vì thay vì trình bày một con đường cụt mà bạn thử một cái gì đó, xem nó hoạt động như thế nào và sau đó quyết định đi đâu từ đó, chúng tôi đang cung cấp một con đường để tiến về phía trước."
Chất xúc tác mới bao gồm một vật liệu tinh thể gọi là zeolit có chứa silic, nhôm, oxy và niken. Khung hỗ trợ của zeolit ổn định các vị trí hoạt động kim loại.
Zhang nói,
Zeolit giống như cát trong thành phần,
"Nhưng không giống như cát, nó có cấu trúc giống như bọt biển chứa đầy các lỗ nhỏ, mỗi lỗ có đường kính khoảng 0,6 nanomet. Nếu bạn có thể mở hoàn toàn một zeolit để lộ diện tích bề mặt, 1 gam mẫu sẽ chứa một diện tích khoảng 500 mét vuông, đó là một lượng lớn bề mặt lộ ra.
Để tổng hợp chất xúc tác zeolit, các nhà nghiên cứu loại bỏ một số nguyên tử nhôm và thay thế chúng bằng niken.
Polo-Garzon nói,
Chúng tôi đang tạo ra một liên kết mạnh mẽ giữa niken và vật chủ zeolit một cách hiệu quả,
"Liên kết mạnh mẽ này làm cho chất xúc tác của chúng tôi có khả năng chống lại sự xuống cấp ở nhiệt độ cao."
Chất xúc tác hiệu suất cao được tổng hợp tại Trung tâm Khoa học Vật liệu Nanophase của ORNL. Zili Wu, lãnh đạo nhóm Hóa học bề mặt và Xúc tác của ORNL, từng là cố vấn chiến lược cho dự án.
Zhang đã thực hiện quang phổ hồng ngoại, tiết lộ rằng niken thường được cô lập và liên kết bởi hai nguyên tử silicon trong khung zeolit.
Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven của DOE và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC, Yuanyuan Li của ORNL đã dẫn đầu các nghiên cứu quang phổ hấp thụ tia X chi tiết các cấu trúc điện tử và liên kết của niken trong chất xúc tác. Tại ORNL, Polo-Garzon và Zhang đã sử dụng một kỹ thuật gọi là phân tích động học thoáng qua đồng vị trạng thái ổn định để đo hiệu suất chất xúc tác - số lần một vị trí hoạt động chuyển đổi chất phản ứng thành sản phẩm.
Nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử truyền qua quét đặc trưng cho cấu trúc và thành phần của vật liệu ở quy mô nano.
Polo-Garzon nói,
Trong phương pháp tổng hợp, chúng tôi thấy rằng lý do phương pháp này hoạt động là vì chúng tôi có thể loại bỏ nước, là sản phẩm phụ của quá trình tổng hợp chất xúc tác,
"Chúng tôi đã yêu cầu các đồng nghiệp sử dụng lý thuyết hàm mật độ để xem xét lý do tại sao nước lại quan trọng khi nói đến sự ổn định của niken."
Tại Đại học Vanderbilt, Haohong Song và De-en Jiang đã thực hiện các tính toán tính toán cho thấy việc loại bỏ nước khỏi zeolit sẽ tăng cường tương tác của nó với niken.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sẽ phát triển các công thức xúc tác khác để cải cách khô của phản ứng mêtan ổn định trong một loạt các điều kiện.
Polo-Garzon nói,
Chúng tôi đang tìm kiếm các cách thay thế để kích thích các phân tử phản ứng để phá vỡ các ràng buộc nhiệt động lực học,
Polo-Garzon nói thêm,
Chúng tôi dựa vào thiết kế hợp lý, không phải thử và sai, để làm cho chất xúc tác tốt hơn,
"Chúng tôi không chỉ phát triển một chất xúc tác. Chúng tôi đang phát triển các nguyên tắc thiết kế để ổn định chất xúc tác cho một loạt các quy trình công nghiệp. Nó đòi hỏi sự hiểu biết cơ bản về ý nghĩa của các giao thức tổng hợp. Đối với ngành công nghiệp, điều đó rất quan trọng bởi vì thay vì trình bày một con đường cụt mà bạn thử một cái gì đó, xem nó hoạt động như thế nào và sau đó quyết định đi đâu từ đó, chúng tôi đang cung cấp một con đường để tiến về phía trước."
Văn phòng Khoa học DOE đã tài trợ cho nghiên cứu. Công việc dựa vào một số cơ sở sử dụng Văn phòng Khoa học DOE: CNMS tại ORNL; Trung tâm Vật liệu Nano Chức năng và Nguồn sáng Synchrotron Quốc gia II, cả hai đều tại Brookhaven; Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford tại SLAC và Trung tâm Máy tính Khoa học Nghiên cứu Năng lượng Quốc gia tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley.
UT-Battelle quản lý ORNL cho Văn phòng Khoa học của DOE. Là người ủng hộ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản trong khoa học vật lý ở Hoa Kỳ, Văn phòng Khoa học đang làm việc để giải quyết một số thách thức cấp bách nhất trong thời đại của chúng ta. Để biết thêm thông tin, vui lòng truy cập energy.gov/science. - Dawn Levy
Chất xúc tác cải tiến biến khí nhà kính độc hại thành nhiên liệu sạch hơn, nguyên liệu hóa học - bao gồm hydro
