Per ottimizzare le prestazioni del catalizzatore, un team di scienziati del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e collaboratori ha sviluppato una comprensione dettagliata dell'effetto dei cambiamenti strutturali e compositivi su nanoscala indotti dal pretrattamento sull'attività del catalizzatore e sulla stabilità a lungo termine.

La ricerca potrebbe rendere più efficiente la produzione dell'importante materia prima chimica acetaldeide.

Per far fronte alle sfide energetiche globali sono necessari miglioramenti nell'efficienza energetica della produzione chimica. La catalisi eterogenea che utilizza nanomateriali ha il potenziale per aumentare sostanzialmente l'efficienza attraverso il miglioramento della selettività della reazione e la diminuzione della temperatura operativa per i processi ad alto volume. I nanomateriali possono anche consentire nuovi processi catalitici che migliorano l'efficienza eliminando la necessità di separazione dei sottoprodotti, come l'acqua.

La produzione dell'acetaldeide è un buon esempio della necessità di migliorare l'efficienza energetica delle trasformazioni chimiche. L'acetaldeide è un materiale di partenza per diversi prodotti chimici industriali.

L'attuale processo per produrre acetaldeide è la deidrogenazione ossidativa dell'etanolo catalizzata dall'argento, che richiede alta temperatura e separazione del sottoprodotto, acqua.

Ma il team e i collaboratori della LLNL hanno trovato un modo per stabilizzare i catalizzatori di rame (Cu) drogato con nichel (Ni) che consentono la deidrogenazione catalitica diretta non ossidativa dell'etanolo verso acetaldeide e idrogeno, un carburante pulito.

"La deidrogenazione non ossidativa dell'etanolo presenta molti vantaggi rispetto agli attuali metodi di produzione, compresa la generazione di idrogeno come sottoprodotto evitando contemporaneamente la separazione dell'acqua, il sottoprodotto della deidrogenazione ossidativa dell'etanolo, " ha affermato lo scienziato dei materiali LLNL Juergen Biener, autore principale di un articolo apparso sulla rivista Scienza e tecnologia della catalisi .

Gli scienziati sono interessati ai catalizzatori composti da Ni e Cu a causa del loro uso in molte applicazioni catalitiche ed elettrocatalitiche (compresa la riduzione dell'anidride carbonica). Sono anche abbondanti e relativamente poco costosi.

Utilizzando la spettroscopia fotoelettronica a raggi X in situ ed ex situ e varie tecniche di microscopia elettronica, il team ha scoperto che l'attività catalitica e la stabilità di un catalizzatore in lega di NiCu nanoporoso (np) possono essere migliorate generando uno stato del sottosuolo di Ni cineticamente intrappolato attraverso un pretrattamento di ossigeno.

L'esposizione della superficie ossidata all'etanolo alla temperatura di reazione riduce la superficie CuO mentre la maggior parte del Ni rimane ossidato e incorporato nel Cu. In questo stato, Il doping Ni fornisce un'attività stabile (più di 60 ore) e migliorata per la deidrogenazione catalitica dell'etanolo ad acetaldeide e idrogeno.

"Questo studio sottolinea l'importanza di comprendere i cambiamenti dinamici delle superfici catalitiche innescati dall'esposizione ai gas reattivi come strumento per mettere a punto le proprietà dei materiali e migliorarne le prestazioni, con implicazioni che si estendono all'elettrocatalisi, fotocatalisi, scienza dei materiali, applicazioni biologiche a base di metalli e oltre, " ha detto Biner.