Οι επιστήμονες δείχνουν τι χρειάζεται για να αποκτήσετε πιθανή πρώτη ύλη καυσίμων ένα αντιδραστικό σημείο στον καταλύτη μοντέλου
Το μεθάνιο είναι άφθονο και μια φτηνή πηγή ενέργειας, αλλά είναι επίσης αδρανής, που σημαίνει ότι είναι δύσκολο να σπάσει τους ισχυρούς χημικούς δεσμούς της για να το μετατρέψει σε άλλα μόρια. Για να ξεπεραστούν αυτή η πρόκληση, οι επιστήμονες έχουν διερευνήσει τη χρήση καταλυτών, υλικά που επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις χωρίς να καταναλώνονται κατά τη διαδικασία.
Η ομάδα στο TUM, με επικεφαλής τον καθηγητή Johannes Lercher, χρησιμοποίησε έναν συνδυασμό πειραματικών και υπολογιστικών τεχνικών για να μελετήσει τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρά με το μεθάνιο με έναν καταλύτη μοντέλου από νανοσωματίδια Rhodium που υποστηρίζονται σε επιφάνεια οξειδίου ceria. Διαπίστωσαν ότι το κλειδί για την ενεργοποίηση του μεθανίου στον καταλύτη ήταν η δημιουργία συγκεκριμένων "καυτών σημείων", όπου τα μόρια μεθανίου θα μπορούσαν να έρθουν σε στενή επαφή με τις ενεργές θέσεις στην επιφάνεια του καταλύτη και να αντιδράσουν.
Οι ερευνητές το πέτυχαν αυτό ελέγχοντας το μέγεθος και την κατανομή των νανοσωματιδίων του ροδίου και τροποποιώντας τις επιφανειακές ιδιότητες της στήριξης οξειδίου του ceria. Διαπίστωσαν ότι δημιουργώντας μια πολύ διασκορπισμένη διάταξη των νανοσωματιδίων μικρού ροδίου στην επιφάνεια του οξειδίου του ceria και τροποποιώντας την ηλεκτρονική δομή του καταλύτη, θα μπορούσαν να ενισχύσουν σημαντικά την καταλυτική δραστικότητα για τη μετατροπή μεθανίου.
Η μελέτη παρέχει σημαντικές γνώσεις σχετικά με το σχεδιασμό και τη βελτιστοποίηση των καταλυτών για την ενεργοποίηση και τη μετατροπή του μεθανίου και θα μπορούσαν να έχουν επιπτώσεις στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών και φιλικών προς το περιβάλλον διαδικασίες για τη χρήση φυσικού αερίου.
Το μεθάνιο αντιπροσωπεύει περίπου το 10% της παγκόσμιας κατανάλωσης ενέργειας και χρησιμοποιείται κυρίως για τη θέρμανση και την παραγωγή ενέργειας. Ωστόσο, το μεθάνιο μπορεί επίσης να μετατραπεί σε μια ποικιλία πολύτιμων προϊόντων, όπως υδρογόνο, μεθανόλη και αιθυλένιο, τα οποία χρησιμοποιούνται στην παραγωγή καυσίμων, πλαστικών και άλλων χημικών ουσιών.
Η πρόκληση για τη μετατροπή του μεθανίου έγκειται στην υψηλή αντοχή του δεσμού, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη διάσπαση των μορίων. Αυτό απαιτεί υψηλές θερμοκρασίες ή τη χρήση καταλυτών, υλικά που επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις χωρίς να καταναλώνονται στη διαδικασία.
Η ομάδα στο TUM επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη ενός καταλύτη που θα μπορούσε να ενεργοποιήσει το μεθάνιο σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, γεγονός που θα έκανε τη διαδικασία πιο ενεργειακά αποδοτική. Χρησιμοποίησαν έναν καταλύτη μοντέλου που αποτελείται από νανοσωματίδια ροδίου που υποστηρίζονται σε επιφάνεια οξειδίου ceria.
Με τον προσεκτικό έλεγχο του μεγέθους και της κατανομής των νανοσωματιδίων ροδίου, καθώς και τις ηλεκτρονικές ιδιότητες της επιφάνειας του καταλύτη, οι ερευνητές ήταν σε θέση να δημιουργήσουν συγκεκριμένα "καυτά σημεία" στον καταλύτη όπου τα μόρια μεθανίου θα μπορούσαν να αντιδρούν αποτελεσματικά.
Η μελέτη καταδεικνύει τη σημασία του ακριβούς σχεδιασμού και της μηχανικής του καταλύτη στο ξεκλείδωμα του πλήρους δυναμικού του μεθανίου ως ευέλικτης πρώτης ύλης για την παραγωγή καυσίμων και χημικών ουσιών.
