Gli scienziati di Brookhaven sono raffigurati alla linea di luce NSLS-II 8-ID, dove hanno usato una luce a raggi X ultra brillante per "vedere" la complessità chimica di un nuovo materiale catalitico. Nella foto da sinistra a destra sono Klaus Attenkofer, Dong Su, Sooyeon Hwang, ed Eli Stavitski. Credito:Brookhaven National Laboratory
Immagina se l'anidride carbonica (CO 2 ) potrebbe essere facilmente convertita in energia utilizzabile. Ogni volta che respiri o guidi un veicolo a motore, produrresti un ingrediente chiave per la generazione di combustibili. Come la fotosintesi nelle piante, potremmo trasformare CO 2 in molecole essenziali per la vita di tutti i giorni. Ora, gli scienziati sono un passo più vicini.
I ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) fanno parte di una collaborazione scientifica che ha identificato un nuovo elettrocatalizzatore che converte in modo efficiente la CO 2 al monossido di carbonio (CO), una molecola altamente energetica. I loro risultati sono stati pubblicati il 1 febbraio in Scienze energetiche e ambientali .
"Ci sono molti modi per utilizzare la CO, " ha detto Eli Stavitski, uno scienziato a Brookhaven e un autore sulla carta. "Puoi reagire con l'acqua per produrre gas idrogeno ricco di energia, o con l'idrogeno per produrre sostanze chimiche utili, come idrocarburi o alcoli. Se ci fosse un sostenibile, percorso economico per trasformare la CO 2 a CO, sarebbe di grande beneficio per la società".
Gli scienziati hanno cercato a lungo un modo per convertire la CO 2 a CO, ma gli elettrocatalizzatori tradizionali non possono avviare efficacemente la reazione. Questo perché una reazione concorrente, chiamata reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) o "scissione dell'acqua, " ha la precedenza sul CO 2 reazione di conversione.
Alcuni metalli nobili, come oro e platino, può evitare LEI e convertire CO 2 a CO; però, questi metalli sono relativamente rari e troppo costosi per fungere da catalizzatori economici. Così, convertire CO 2 a CO in modo conveniente, gli scienziati hanno utilizzato una forma completamente nuova di catalizzatore. Invece di nanoparticelle di metalli nobili, usavano singoli atomi di nichel.
"Nichel metallo, all'ingrosso, è stato raramente selezionato come un candidato promettente per la conversione di CO 2 a CO, " ha detto Haotian Wang, un Rowland Fellow all'Università di Harvard e l'autore corrispondente sull'articolo. "Una ragione è che si comporta molto bene per LEI, e abbatte la CO 2 selettività di riduzione drammaticamente. Un altro motivo è perché la sua superficie può essere facilmente avvelenata dalle molecole di CO, se ne vengono prodotte".
Singoli atomi di nichel, però, produrre un risultato diverso.
"I singoli atomi preferiscono produrre CO, piuttosto che eseguire l'HER in competizione, perché la superficie di un metallo sfuso è molto diversa dai singoli atomi, ", ha detto Stavitski.
Klaus Attenkfer, anche uno scienziato di Brookhaven e coautore del documento, aggiunto, "La superficie di un metallo ha un potenziale energetico:è uniforme. Mentre su un singolo atomo, ogni luogo sulla superficie ha un diverso tipo di energia."
Oltre alle proprietà energetiche uniche dei singoli atomi, il CO 2 La reazione di conversazione è stata facilitata dall'interazione degli atomi di nichel con un foglio di grafene circostante. L'ancoraggio degli atomi al grafene ha consentito agli scienziati di mettere a punto il catalizzatore e sopprimere HER.
Per dare un'occhiata più da vicino ai singoli atomi di nichel all'interno del foglio di grafene atomicamente sottile, gli scienziati hanno utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) presso il Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Scansionando una sonda elettronica sul campione, gli scienziati sono stati in grado di visualizzare atomi discreti di nichel sul grafene.
"Il nostro microscopio elettronico a trasmissione all'avanguardia è uno strumento unico per vedere caratteristiche estremamente piccole, come singoli atomi, " ha detto Sooyeon Hwang, uno scienziato al CFN e un coautore del documento.
"I singoli atomi sono generalmente instabili e tendono ad aggregarsi sul supporto, "aggiunse Dong Su, anche uno scienziato CFN e coautore del documento. "Però, abbiamo scoperto che i singoli atomi di nichel erano distribuiti uniformemente, che ha rappresentato l'eccellente performance della reazione di conversione."
Per analizzare la complessità chimica del materiale, gli scienziati hanno utilizzato la linea di luce 8-ID presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), anch'essa una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven Lab. La luce a raggi X ultra brillante dell'NSLS-II ha permesso agli scienziati di "vedere" una vista dettagliata della struttura interna del materiale.
"fotoni, o particelle di luce, interagire con gli elettroni negli atomi di nichel per fare due cose, " Ha detto Stavitski. "Inviano gli elettroni a stati energetici più elevati e, mappando quegli stati energetici, possiamo comprendere la configurazione elettronica e lo stato chimico del materiale. Quando aumentiamo l'energia dei fotoni, cacciano gli elettroni dagli atomi e interagiscono con gli elementi vicini." In sostanza, questo ha fornito agli scienziati un'immagine della struttura locale degli atomi di nichel.
Sulla base dei risultati degli studi di Harvard, NSLS-II, CFN, e altre istituzioni, gli scienziati hanno scoperto che singoli atomi di nichel hanno catalizzato la CO 2 reazione di conversione con un'efficienza massima del 97 percento. Gli scienziati dicono che questo è un passo importante verso il riciclaggio della CO 2 per energia utilizzabile e prodotti chimici.
"Per applicare questa tecnologia ad applicazioni reali in futuro, attualmente stiamo puntando a produrre questo catalizzatore a singolo atomo in modo economico e su larga scala, migliorandone le prestazioni e mantenendone l'efficienza, " ha detto Wang.
