Il plasma non termico (NTP) viene utilizzato per attivare la CO₂ molecole per l'idrogenazione in combustibili alternativi a basse temperature, consentendo anche la conversione di energia elettrica rinnovabile in energia chimica. I ricercatori della Tokyo Tech hanno combinato metodi sperimentali e computazionali per studiare il percorso di idrogenazione della CO₂ promossa da NTP sulla superficie di Pd₂ Ga/SiO₂ catalizzatori. Le intuizioni meccanicistiche del loro studio possono aiutare a migliorare l'efficienza dell'idrogenazione catalitica di CO₂ e consente agli ingegneri di progettare catalizzatori di nuova concezione.

Cambiamento climatico accelerato dall'eccesso di CO₂ le emissioni sono state una delle principali preoccupazioni negli ultimi anni. Per far fronte a questo problema, tecnologie in grado non solo di ridurre e rimuovere l'eccesso di CO₂ vengono sviluppate emissioni ma anche trasformarle in sostanze chimiche a valore aggiunto. Uno di questi metodi è l'idrogenazione di CO₂ utilizzando idrogeno rinnovabile per produrre combustibili alternativi.

Negli anni sono state sviluppate diverse strategie per migliorare la CO₂ idrogenazione in presenza di catalizzatori metallici. Il più promettente tra questi è il plasma non termico (NTP). Promuove l'idrogenazione di CO₂ oltre il limite termodinamico anche a basse temperature senza disattivare i catalizzatori metallici, che sono vulnerabili alle temperature più elevate. Nonostante la crescente popolarità di questa tecnica, le interazioni tra le specie attivate da NTP e i catalizzatori metallici non sono ancora ben comprese.

Un team di ricercatori del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), in Giappone, guidato dal Prof. Tomohiro Nozaki, ha ideato uno studio per superare questa lacuna di comprensione. Nella loro recente svolta, pubblicata nel Journal of the American Chemical Society , i ricercatori hanno rivelato la dinamica di reazione per la CO₂ assistita da NTP idrogenazione sulla superficie di Pd₂ Ga/SiO₂ catalizzatori di leghe che portano alla formazione di formiato.

"Sono stati proposti meccanismi di reazione come il percorso Eley-Rideal o ER-R per spiegare l'efficienza della CO₂ conversione a temperature più basse e l'energia di attivazione per questa reazione diminuisce drasticamente. Inoltre, NTP produce un'abbondante quantità di CO₂ attivato vibrazionalmente che è la chiave per aumentare la CO₂ conversione oltre l'equilibrio termico", spiega il prof Nozaki.

Il team ha studiato le reazioni tra la CO₂ attivata da NTP e Pd₂ Ga/SiO₂ catalizzatori in lega in un reattore a scarica di barriera dielettrica a letto fluido (Figura 1 e video) e li ha confrontati con la catalisi termica convenzionale. I risultati hanno rivelato che il CO₂ la conversione in formiato era più che doppia nel caso dell'idrogenazione assistita da NTP rispetto alla conversione termica. To further establish the mechanics of the mentioned conversion, the scientists adopted in situ spectroscopic analysis and density functional theory (DFT) calculations.

The results revealed that the NTP activation gave rise to vibrationally excited CO₂ molecules that directly react with hydrogen atoms adsorbed by the Pd sites on the catalyst via the E-R pathway. One of the O atoms from the reacted species then got adsorbed at the neighboring Ga site resulting in the formation of monodentate-formate or m-HCOO. The DFT calculations also deduced a decomposition pathway for the same m-HCOO species.

This experimental-theoretical study showed that NTP can promote CO₂ hydrogenation to limits those conventional thermal methods can hardly reach. It also provided mechanistic insights into NTP activated CO₂ and catalyst interaction, which can be utilized to develop better catalysts and improve the hydrogenation process. "With our research, we wanted to accelerate the waste to wealth initiative. Capturing CO₂ and using it as feedstock for synthesis of fuels and valuable chemicals will not only help us deal with climate problem but also slow down fossil fuel depletion to some extent," concludes Prof. Nozaki. + Explore further

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