I collaboratori dell'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia e delle università statunitensi hanno utilizzato lo scattering di neutroni e altre tecniche di caratterizzazione avanzate per studiare come un importante catalizzatore consente alla reazione di "spostamento acqua-gas" di purificare e generare idrogeno su scala industriale.

Risultati pubblicati in Giornale della Società Chimica Americana risolto un lungo dibattito sul meccanismo di reazione del catalizzatore, aprire percorsi per migliorare i costi e l'efficienza della produzione di idrogeno su larga scala.

"Il nostro lavoro fa avanzare in modo significativo la comprensione fondamentale di un complesso, catalizzatore di importanza critica per il settore che è stato difficile da studiare, " ha affermato Zili Wu della divisione di scienze chimiche dell'ORNL. "La determinazione del funzionamento di questa reazione a livello atomico consente ulteriori sforzi per ottimizzare il catalizzatore per migliorare le prestazioni".

I collaboratori hanno studiato un catalizzatore di ossido di rame-cromo-ferro (CuCrFeO _X ) fornito dalla Lehigh University.

"Conosciamo già il CuCrFeO . esistente _X catalizzatore funziona, ma come funziona è stato oggetto di dibattito, ", ha affermato Felipe Polo-Garzon dell'ORNL, che ha lavorato con Wu sull'approccio multimodale del team per individuare il meccanismo di reazione del catalizzatore.

L'obiettivo era studiare come si comporta il catalizzatore in condizioni reali per trovare prove di una riduzione dell'ossidazione ("redox") o di un meccanismo associativo, due teorie predominanti su come CuCrFeO _X lavora per produrre idrogeno.

In una reazione redox, i reagenti scambiano alcuni dei loro atomi con la superficie del catalizzatore per produrre nuove sostanze, in questo esempio, idrogeno e anidride carbonica. Al contrario, in una reazione associativa, tutte le molecole reagenti si legano alla superficie del catalizzatore in una fase intermedia per arrivare ai prodotti finali.

Per dimostrare inequivocabilmente come il CuCrFeO _X catalizzatore funziona (redox vs meccanismo associativo), i ricercatori gettano una vasta rete di metodi sperimentali e computazionali.

Tutti i risultati hanno portato alla stessa conclusione:una reazione redox. In condizioni di alta temperatura, il catalizzatore perde atomi di ossigeno per fare spazio a molecole d'acqua che si dissociano e cedono idrogeno puro.

"La risposta è importante perché ci aiuta a identificare il punto critico nella reazione in cui si genera l'idrogeno, ", ha detto Polo-Garzon.

Molti catalizzatori esistenti sono stati creati attraverso tentativi ed errori, che spesso ne limita l'efficienza. La scoperta fondamentale del team potrebbe eliminare le congetture e dire ai ricercatori esattamente dove cercare opportunità per sintetizzare un catalizzatore migliore per la generazione di idrogeno.

L'idrogeno è l'elemento più abbondante della terra, ma non si trova naturalmente nella forma pura necessaria alle industrie per la raffinazione del petrolio, produzione di ammoniaca per fertilizzanti, trasformazione dei prodotti alimentari, trattamento dei metalli, e altre ampie applicazioni. La maggior parte dell'approvvigionamento mondiale di idrogeno è prodotto dal reforming del metano a vapore, convertendo il gas naturale in una miscela di idrogeno che viene raffinata tramite catalisi di spostamento acqua-gas per produrre idrogeno puro.

Diversi fattori limitano la comprensione di ciò che rende possibile la generazione di idrogeno durante la reazione di spostamento acqua-gas. Il CuCrFeO _X il catalizzatore ricostruisce durante il funzionamento, quindi le versioni fresche e esaurite sono diverse, rendendo particolarmente difficile caratterizzare il materiale. In precedenza, le informazioni su come cambia la chimica della superficie durante le condizioni di reazione sono mancate dal puzzle.

Un altro ostacolo è il colore del composto. Il catalizzatore nero ostacola la spettroscopia ottica e altre tecniche convenzionali che si basano sulla luce per ottenere dati, perché il campione è troppo scuro per "vedere" efficacemente.

Esperimenti di spettroscopia vibrazionale di neutroni eseguiti sulla linea di luce VISION presso la Spallation Neutron Source di ORNL, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, ha aiutato a superare alcune delle sfide dello studio di CuCrFeO _X .

Poiché i neutroni interagiscono con i campioni in modo diverso rispetto alla luce, possono integrare le informazioni ottenute dalle tecniche ottiche. Sono ideali anche per osservare l'idrogeno, che è difficile da rilevare con altri metodi sperimentali a causa del basso peso atomico dell'elemento.

Il guadagno è stato duplice, dice Polo-Garzon. "I neutroni ci hanno fornito un pezzo fondamentale del puzzle per confutare il meccanismo associativo, mostrandoci che nessun intermedio rilevante era presente sulla superficie del catalizzatore, " ha detto. "Abbiamo anche osservato qualcosa che non è stato precedentemente rilevato sulla superficie del catalizzatore:gli idruri".

Gli idruri sono specie di superficie che svolgono un ruolo chiave nelle reazioni a base di idrogeno, ma sono estremamente difficili da osservare in materiali metallici misti come CuCrFeO _X .

Oltre agli esperimenti sui neutroni, i ricercatori hanno eseguito la spettroscopia infrarossa e la caratterizzazione della reazione superficiale a temperatura programmata presso il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, e analisi cinetica transitoria isotopica presso l'ORNL; spettroscopia fotoelettronica a raggi X a pressione quasi ambiente presso l'Università del Kansas; e calcoli della teoria del funzionale della densità presso l'Università della California, lungo il fiume, che ha utilizzato le risorse del National Energy Research Scientific Computing Center, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE.

"Hai bisogno di più di un approccio per raccogliere e interpretare tutte le informazioni necessarie per costruire l'intera storia, " ha detto Polo-Garzon. "La nostra collaborazione mette in evidenza il successo di un approccio multimodale per produrre scoperte fondamentali".

L'articolo della rivista è pubblicato come "Chiarimento del meccanismo di reazione per lo spostamento del gas d'acqua ad alta temperatura su un catalizzatore di ossido di rame-cromo-ferro di tipo industriale".