Enthüllung des nicht-thermischen katalytischen Ursprungs der durch Gleichstrom geförderten Katalyse für die energieeffiziente Umwandlung von Treibhausgasen in wertvolle Chemikalien
Anzeigen
Die katalytische Trockenreformierung von Methan (DRM) ist eine Schlüsselreaktion für die nachhaltige Nutzung der großen Treibhausgase CO 2 und CH 4 . Die konventionelle DRM leidet jedoch häufig unter einer starken Deaktivierung des Katalysators aufgrund der hohen Temperaturanforderungen. Die Anwendung von Gleichstrom (DC) auf Katalysatormaterialien hat sich als vielversprechende Strategie zur Überwindung dieser Einschränkungen erwiesen, doch der zugrundeliegende DC-verstärkte katalytische Mechanismus ist nach wie vor nicht bekannt. Hier enthüllen wir den nicht-thermischen katalytischen Ursprung von DC-appliziertem DRM über Pd/CeO 2 durch multimodale Operando-Analysen, die einen mikroskopischen physikochemischen Rahmen für das rationale Design von DRM-Katalysatoren der nächsten Generation jenseits der Einschränkungen der konventionellen thermischen Katalyse bieten.
Schematische Darstellung der multimodalen Operando-Analyse des mit Palladium beladenen CeO2-Katalysators unter Gleichstromanwendung.
American Chemical Society
Die katalytische Trockenreformierung von Methan (DRM) bietet eine vielversprechende Strategie für die nachhaltige Nutzung der Treibhausgase CH 4 und CO 2 . Ihre praktische Anwendung wurde jedoch lange Zeit durch die starke Deaktivierung des Katalysators unter harten thermischen Bedingungen (typischerweise über 800 °C) behindert. In den letzten Jahren hat sich die Katalyse unter Gleichstrom (DC) als bahnbrechender nicht-thermischer Ansatz herauskristallisiert, der es ermöglicht, DRM bei deutlich niedrigeren Temperaturen (~200 °C) mit verbesserter katalytischer Aktivität und Stabilität durchzuführen. Trotz dieses Fortschritts ist der zugrundeliegende mikroskopische physikochemische Ursprung der katalytischen Verbesserung durch Gleichstrom noch immer nicht geklärt. Konkurrierende Hypothesen, darunter elektrische Feldeffekte, strominduzierte ladungsgetriebene Mechanismen, Oberflächenprotonen und Joule-Erwärmung, wurden vorgeschlagen, aber es wurde noch kein umfassender Rahmen geschaffen. Diese Unklarheit behindert nach wie vor die rationelle Entwicklung und Optimierung von katalytischen Systemen, die mit Gleichstrom betrieben werden.
In dieser Arbeit etabliert die Forschungsgruppe um Toshiki Sugimoto (Associate Professor am Institute for Molecular Science) und Yasushi Sekine (Professor an der Waseda University) einen definitiven ladungsgesteuerten Mechanismus, der der nicht-thermischen katalytischen Verbesserung zugrunde liegt, die bei DC-appliziertem DRM beobachtet wird, und konzentriert sich dabei auf Pd/CeO 2 als Modellkatalysator. Durch die Kombination multimodaler Operando-Analysen, einschließlich Infrarot (IR)-Wärmebildgebung, räumlich aufgelöster Spektroskopie im mittleren IR-Bereich und im sichtbaren bis nahen IR-Bereich, integriert mit Echtzeit-Massenspektrometrie und Ex-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie, identifizierte die Forschungsgruppe direkt Schlüsselreaktionsintermediate in nicht-thermischem DRM, die ausschließlich in stromführenden Domänen unter Gleichstromanwendung entstehen (Abbildung 1). Bemerkenswert ist, dass die DRM-Aktivität eine positive Korrelation mit dem angelegten Strom und der elektrischen Leitfähigkeit, aber eine negative Korrelation mit der angelegten Spannung aufweist, was darauf hindeutet, dass die katalytische Verstärkung eher durch die Ladungsinjektion als durch die elektrische Feldstärke und die Joule-Erwärmung bestimmt wird. Entscheidend ist, dass es der Forschungsgruppe gelang, sowohl Elektronen als auch Löcher nachzuweisen, die während der Gleichstromanwendung in CeO 2 erzeugt wurden, und eine quantitative Korrelation zwischen der Dichte der injizierten Ladungen und der DRM-Aktivität aufzuzeigen. Darüber hinaus deckt die röntgenspektroskopische Analyse einen unkonventionellen Mechanismus der Löchergenerierung in dem nominell n-leitenden CeO 2-Halbleiter auf; die durch die partielle Ce 4+-Reduktion hervorgerufene lokale Gitterdehnung fördert den Elektronentransfer von O 2p- zu Ce 4f-Orbitalen über einen Ligand-Metall-Ladungstransfer und ermöglicht so die für DRM notwendigen Redox-Reaktionszyklen. Diese Ergebnisse widerlegen die herkömmliche Annahme, dass eine lochgetriebene Oxidation in n-Typ-Halbleitern unwahrscheinlich ist, und weisen stattdessen auf einen kooperativen Mechanismus zwischen eingeschlossenen Elektronen und spannungsinduzierten Löchern als mikroskopischen Ursprung der nicht-thermischen Katalyse unter Gleichstromanwendung hin.
Somit schafft diese Studie nicht nur einen edlen physikalisch-chemischen Rahmen für das Verständnis der nicht-thermischen katalytischen Verbesserung in Systemen, die mit Gleichstrom betrieben werden, sondern liefert auch Leitprinzipien für das rationale Design von koksresistenten, katalytischen DRM-Systemen bei niedrigen Temperaturen für die nachhaltige chemische Umwandlung von Treibhausgasen. Darüber hinaus erweitert die Entdeckung eines unkonventionellen Pfades zur Erzeugung von Löchern durch ein nicht-triviales Wechselspiel zwischen Elektronen und Löchern in einem nominell n-Typ-Halbleiter unter Gleichstromvorspannung das konventionelle Verständnis der Ladungsträgerdynamik über die klassischen Modelle der Halbleiterphysik hinaus und liefert eine neue konzeptionelle Grundlage im interdisziplinären Bereich der heterogenen Katalyse und der Festkörperwissenschaften.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Meistgelesene News
Weitere News von unseren anderen Portalen
Verwandte Inhalte finden Sie in den Themenwelten
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!
Themenwelt Spektroskopie
Durch die Untersuchung mit Spektroskopie ermöglicht uns einzigartige Einblicke in die Zusammensetzung und Struktur von Materialien. Von der UV-Vis-Spektroskopie über die Infrarot- und Raman-Spektroskopie bis hin zur Fluoreszenz- und Atomabsorptionsspektroskopie - die Spektroskopie bietet uns ein breites Spektrum an analytischen Techniken, um Substanzen präzise zu charakterisieren. Tauchen Sie ein in die faszinierende Welt der Spektroskopie!