几乎所有的化学和燃料生产都依赖催化剂，催化剂可以加速化学反应，而不会在过程中被消耗掉。大多数反应发生在巨大的反应堆容器中，可能需要高温和高压。
科学家们一直在研究用电而不是热来驱动这些反应的替代方法。这可能会让可再生能源驱动的廉价、高效、分布式制造成为可能。
但是专门研究热和电这两种方法的研究人员倾向于独立工作，根据他们特定的反应环境开发不同类型的催化剂。
一项新的研究旨在改变这种状况。斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的科学家今天报告说，他们已经制造出一种新的催化剂，既可以用热也可以用电。这种催化剂以镍原子为基础，加速了将二氧化碳转化为一氧化碳的反应——这是从一氧化碳中制造燃料和有用化学物质的第一步2．
SLAC和斯坦福大学的教授兼SUNCAT界面科学和催化研究所所长Thomas Jaramillo说，这些结果代表了统一对这两种截然不同的条件下的催化反应的理解的重要一步。亚博老虎机网登录
“这在我们这个领域很罕见，”他说。“事实上，我们可以把它放在一个框架中，以研究相同的材料，这是这项工作的特殊之处，它打开了一个全新的途径，以更广泛的方式研究催化剂。”
研究小组表示，研究结果还解释了新催化剂如何在电化学反应器中使用时加速这一关键反应。他们的报告发表在印刷版的《应用化学》这个星期。
迈向可持续的化学未来
找到转化一氧化碳的方法2从甲醇到塑料和合成天然气等化学品、燃料和其他产品，是SUNCAT研究的一个主要重点。如果使用可再生能源进行大规模开发，可能会为回收温室气体创造市场激励。这将需要新一代的催化剂和工艺，以低成本、高效的工业规模实现这些转变——而要实现这些发现，将需要新的想法。
为了寻找一些新的方向，SUNCAT组建了一个博士生团队，包括斯坦福大学化学工程系的三个研究小组:来自Stacey Bent教授小组的Sindhu Nathan，他的研究重点是热驱动的催化反应，以及David Koshy，他是Jaramillo和Zhenan Bao教授的共同顾问，一直专注于电化学反应。
内森的工作旨在从基本的原子水平理解热驱动的催化反应。
“热驱动反应是目前工业上常用的反应，”她说。“对于某些反应来说，热驱动的过程实施起来很有挑战性，因为它可能需要非常高的温度和压力才能让所需的反应进行下去。”
科希说，用电驱动反应可以使一些转变更有效，“因为你不需要加热东西，你也可以使反应堆和其他组件更小、更便宜、更模块化——而且这是利用可再生资源的好方法。”
研究这两种反应的科学家是并行工作的，很少相互作用，所以他们没有太多机会从彼此那里获得见解，从而可能帮助他们设计出更有效的催化剂。
但如果这两个阵营能够在同一种催化剂上工作，这将为统一他们对两种环境中反应机制的理解奠定基础，Jaramillo说。“我们有理论上的理由认为同一种催化剂在两种反应条件下都能起作用，”他说，“但这个想法还没有经过验证。”
发现催化剂的新途径
在他们的实验中，团队选择了Koshy最近合成的催化剂NiPACN。催化剂的活性部分——它抓住经过的分子，使它们发生反应并释放产物的地方——由分散在碳材料中的单个镍原子与氮原子结合而成。Koshy的研究已经确定，NiPACN可以高效地驱动某些电化学反应。它在热条件下也能这样吗
为了回答这个问题，研究小组将粉状催化剂带到SLAC的斯坦福同步加速器辐射光源(SSRL)中。他们与杰出的科学家Simon Bare合作开发了一个微型反应器，在这个反应器中，催化剂可以在高温高压下加速氢和二氧化碳之间的反应。该装置允许他们通过一扇窗户用x射线照射反应，并观察反应的进行。
特别是，他们想看看反应器内的恶劣条件是否改变了催化剂，因为它促进了氢和CO之间的反应2．
“人们可能会说，你怎么知道原子结构没有改变，使它成为一种与我们之前在电化学反应中测试过的催化剂略有不同的催化剂?”Koshy说。“我们必须证明，当反应结束时，镍的反应中心看起来还是一样的。”
这正是他们在用x射线和透射电子显微镜检查反应前后催化剂的原子细节时所发现的。
研究小组写道，展望未来，像这样的研究对于统一反应环境中催化现象的研究是至关重要的，这将最终促进发现燃料和化学工业转型的新催化剂的努力。
这项研究的一部分是在斯坦福大学纳米共享设施、加拿大电子显微镜中心和美国能源部橡树岭国家实验室的纳米材料科学中心(CNMS)进行的。亚博网站下载亚博老虎机网登录CNMS和SSRL是能源部科学办公室的用户设施。亚博老虎机网登录主要资金来自美国能源部科学办公室，其中包括美国能源部能源创新中心人工光合作用联合中心亚博老虎机网登录的支持。
来源:https://www6.slac.stanford.edu/