Avancerade katalysatorer i kapslar förbättrar produktionen av metanol från CO2-vätgaskonvertering

StockholmForskare vid Tokyo Tech har upptäckt att placering av kopparnanopartiklar i vattenavvisande porösa kiselkristaller kan förbättra effektiviteten av koppar-zinkoxidkatalysatorer vid metanolproduktion. Denna metod hindrar kopparpartiklar från att klumpa ihop sig vid uppvärmning, vilket leder till bättre väteering och mer metanolproduktion. Detta gör metanolsyntes från CO2 mer effektiv.

Koldioxidutsläpp bidrar i hög grad till den globala uppvärmningen, och det är brådskande att minska dessa utsläpp. Metanol är ett användbart och prisvärt bränsle som utgör ett bra alternativ till traditionella transportbränslen. Att producera metanol genom att omvandla koldioxid med väte är en lovande metod bland teknologier för att fånga upp och använda koldioxid.

Lägre temperaturer är fördelaktiga för metanolproduktion eftersom reaktionen avger värme. Katalysatorer gjorda av koppar och zinkoxid (Cu-ZnO) är effektiva i detta sammanhang. De underlättar omvandlingen av CO2 till formiatintermediat, vilket ökar metanolproduktionen. Ökad produktionskapacitet uppnås genom att ha mer yta där koppar och zinkoxid möts, vilket kan åstadkommas genom att sprida ut kopparpartiklarna mer. Dock är kopparpartiklarna instabila vid höga temperaturer och tenderar att klumpa ihop under både förberedelse och reaktion, vilket minskar ytarean. Dessutom bidrar det vatten som bildas som biprodukt till att koppar klumpar ihop sig och saktar ner bildandet av formiat.

Forskare under ledning av professor Teruoki Tago vid Tokyos tekniska institut har utvecklat nya Cu-ZnO-katalysatorer inneslutna i Silicalite-1 (S-1). De framhöll flera viktiga resultat i sin studie.

• Inkapsling av metaller inom porösa bärare minskar termisk aggregering.
• Katalysatorer av S-1-inkapslat Cu-ZnO visar förbättrad metanolproduktion.
• Två typer av katalysatorer tillverkades: Cu/S-1 och Cu@S-1.
• Cu@S-1 framställdes med hjälp av ett Cu-fyllosilikatpulver (CuPS).

Läs också:

Idag · 13:23

Ny forskning: mekaniska krafter styr genuttryck i celler

Forskarna skapade två typer av katalysatorer. Den första, kallad Cu/S-1, innebar att man tillsatte koppar till ett vattenavstötande material som kallas S-1. Den andra, kallad Cu@S-1, tillverkades med hjälp av ett kopparbaserat pulver som bidrog till att inbädda kopparpartiklar i S-1-strukturen. För att skapa Cu@S-1 löste de upp kopparpulvret, och tiden det tog att lösa upp det påverkade storleken på kopparpartiklarna. När de fann den optimala upplösningstiden, hade katalysatorn kopparpartiklar med en storlek på cirka 2,4 nanometer inuti S-1.

Katalysatorn Cu@S-1 visade högre aktivitet vid hydrering och metanolproduktion än Cu/S-1. För att ytterligare öka metanolproduktionen tillsattes ZnO till Cu@S-1 genom impregnering, vilket skapade den ZnO/Cu@S-1-katalysatorn med fina Cu-partiklar. Denna nya katalysator hade ännu högre aktivitet, vilket tyder på bildandet av Cu-ZnO-gränssnittet.

S-1-strukturen förhindrar att Cu-partiklar klumpar ihop sig vid uppvärmning. Den tar även snabbt bort vatten som bildas under reaktioner nära Cu-ZnO-gränssnittet, vilket förbättrar metanolproduktionen.

Studien publicerades online den 21 februari 2024 och i Volym 485 av Chemical Engineering Journal den 1 april 2024. Projektet finansierades av EU:s Horizon2020-program och Japans Science and Technology Agency genom SCICORP (Laurelinprojektet). Forskarna fann att den nya metoden för att framställa katalysatorer fungerar mycket bra och visar lovande möjligheter för effektiv produktion av metanol från koldioxid.