Nieuwe katalysatoren verhogen methanolproductie uit CO2 door waterafstotende silicaten met koperdeeltjes

AmsterdamWetenschappers aan het Tokyo Tech hebben ontdekt dat het plaatsen van kopernanodeeltjes in waterafstotende poreuze silicaatkristallen de efficiëntie van koper-zink oxide katalysatoren bij de productie van methanol verhoogt. Deze opstelling voorkomt dat koperdeeltjes samenklonteren bij verhitting, wat resulteert in betere hydrogenering en meer methanolproductie. Deze methode maakt de synthese van methanol uit CO2 efficiënter.

CO2-uitstoot draagt in grote mate bij aan de opwarming van de aarde en het verminderen van deze uitstoot is dringend. Methanol is een nuttige en betaalbare brandstof die een goed alternatief biedt voor traditionele transportbrandstoffen. Het produceren van methanol door CO2 met waterstof om te zetten is een veelbelovende methode binnen technologieën voor het vastleggen en gebruiken van CO2.

Lagere temperaturen zijn gunstig voor de productie van methanol omdat de reactie warmte afgeeft. Katalysatoren van koper en zinkoxide (Cu-ZnO) zijn hierbij efficiënt. Ze helpen CO2 omzetten in formiaat-intermediairen, wat de methanolproductie bevordert. Een grotere oppervlakte waar koper en zinkoxide elkaar raken, verhoogt de productie. Dit kan worden bereikt door de koperdeeltjes verder te verspreiden. Helaas zijn koperdelen niet stabiel bij hoge temperaturen en neigen ze tijdens voorbereiding en reactie samen te klonteren, wat de oppervlakte vermindert. Het bijproduct water veroorzaakt ook klontering van koper en vertraagt de vorming van formiaat.

Onder leiding van Professor Teruoki Tago aan het Tokyo Institute of Technology hebben onderzoekers nieuwe Cu-ZnO katalysatoren ontwikkeld, omsloten door Silicalite-1 (S-1). In hun studie benadrukten zij diverse belangrijke bevindingen.

• Het inkapselen van metalen in poreuze dragers voorkomt thermische aggregatie.
• S-1 ingekapselde Cu-ZnO katalysatoren verbeteren de methanolproductie.
• Er werden twee soorten katalysatoren gemaakt: Cu/S-1 en Cu@S-1.
• Cu@S-1 werd bereid met een Cu phyllosilicaat (CuPS) poeder.

Lees ook:

Vandaag · 15:23

Nieuw inzicht: dynamiek van persoonlijke en collectieve overtuigingen

De onderzoekers ontwikkelden twee soorten katalysatoren. De eerste, genaamd Cu/S-1, werd gemaakt door koper toe te voegen aan een waterafstotend materiaal genaamd S-1. De tweede, genaamd Cu@S-1, werd gecreëerd met behulp van een koperpoeder om de koperdeeltjes in de S-1-structuur te integreren. Voor de productie van Cu@S-1 losten ze het koperpoeder op, waarbij de oplostijd de grootte van de koperdeeltjes beïnvloedde. Na het vinden van de optimale oplostijd, bevatte de katalysator koperdeeltjes van ongeveer 2,4 nanometer binnen de S-1.

De Cu@S-1-katalysator vertoonde hogere hydrogenatieactiviteit en methanolproductie dan Cu/S-1. Om de methanolproductie verder te verhogen, werd ZnO toegevoegd aan Cu@S-1 door impregnering, wat leidde tot de creatie van de ZnO/Cu@S-1-katalysator met fijne Cu-deeltjes. Deze nieuwe katalysator toonde een nog hogere activiteit aan, wat wijst op de vorming van het Cu-ZnO-interface.

De S-1 structuur voorkomt dat Cu-deeltjes samenklonteren bij verhitting. Daarnaast verwijdert het snel het water dat ontstaat tijdens reacties nabij het Cu-ZnO interface, wat de methanolproductie verbetert.

Het onderzoek werd op 21 februari 2024 online geplaatst en verscheen op 1 april 2024 in Volume 485 van het Chemical Engineering Journal. Dit project werd gefinancierd door het Horizon2020-programma van de EU en de Japanse Science and Technology Agency via het SCICORP (Laurelin-project). De onderzoekers ontdekten dat de nieuwe methode voor het bereiden van katalysatoren zeer goed werkt en potentie toont om efficiënt methanol uit CO2 te maken.