廉价催化剂可在室温下回收甲烷排放

Josiah02

天然气是一种化石燃料，在美国广泛用于取暖、烹饪和发电，也用作塑料和其他产品制造的化学原料。但由于天然气的主要成分是温室气体甲烷，因此它是甲烷排放的主要来源之一。
为了回收大气中的甲烷，世界各地的研究人员正在研究能够将甲烷转化为可用燃料和其他产品的催化剂。最近，由美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室的科学家领导的研究合作开发了一种廉价的催化剂，它性能良好，并且——至关重要的是——可以在室温或接近室温的温度下工作，这对于开发现实生活中广泛的甲烷回收应用至关重要。
该作品刊登在 2024 年 10 月 15 日版《ACS Nano》杂志的封面上。
“研究人员一直在寻找一种可以在中等温度下实现甲烷转化的催化剂，”布鲁克海文化学家、论文的主要作者阿雷芬·伊斯兰 (Arephin Islam) 说道。“我们的催化剂不需要远高于 500 K（约 440°F）的温度，而其他许多催化剂则需要。它效率高，使用常见的低成本材料，因此具有可扩展到商业应用的潜力。”
该催化剂由氧化镁纳米颗粒组成，每个颗粒的直径约为五亿分之一米，嵌入一层非常薄的氧化铜层中，而氧化铜层又位于一层铜上。虽然块状氧化镁本身并不是良好的甲烷转化催化剂，但研究人员发现，通过添加某些金属或金属氧化物可以激活它。
这是促成这项研究的一个因素，但该团队还受到了布鲁克海文化学家 Ping Liu 和 Erwei Huang 进行的一项理论研究的指导，该研究于今年 5 月发表在《物理化学杂志 C》上。该研究确定，将纳米结构氧化镁与氧化铜相结合可以成为在温和温度下实现甲烷转化的成功催化方法。
这项研究的首席研究员、布鲁克海文化学家 Jose Rodriguez 说：“纳米颗粒形式的氧化镁如何对甲烷产生更高的反应性，特别是当它与铜结合时，因为铜具有催化甲烷转化的能力。”
用光和电子研究该系统
该小组研究了在氧化铜表面涂上不同浓度的氧化镁合成的催化剂样品的性能。他们使用了几种技术，包括一种称为环境压力 X 射线光电子能谱 (AP-XPS) 的 X 射线方法，该方法可提供有关化学成分和催化剂表面发生的化学相互作用的信息。
这项工作是在国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 进行的，它是位于布鲁克海文的美国能源部科学办公室用户设施，可产生强 X 射线光束，用于研究各种各样的材料和生物样本。
在 NSLS-II 中，该小组使用了原位和原位 X 射线光谱 (IOS) 光束线上最先进的仪器，这使得科学家能够实时、在现实操作条件下研究“工作中”的样本。
在光束线的 AP-XPS 终端站，研究小组通过物理气相沉积法制备催化剂样品，该法允许将超薄材料层沉积到基底上。接下来，他们将每个样品暴露在真实压力下的反应气体中，并将​​ X 射线对准其表面。X 射线光通过光电效应使电子从表面弹出，然后分析这些弹出的电子以确定其动能。
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这些能量反过来揭示了样品中特定原子的电子的结合能，并使得研究人员能够识别特定的化学元素及其氧化状态和化学环境——这些信息是理解催化剂行为的关键。
AP-XPS 是用于此类研究的绝佳技术，因为它可以在反应过程中对材料进行实时表面分析，从而弥合了受控实验室研究与实际工业应用之间的差距。
为了观察反应如何改变每个样品的氧化镁/氧化铜催化剂表面，研究人员采用了一种强大的成像技术，即扫描隧道显微镜 (STM)，该技术通过使用极其锋利的导电尖端扫过样品表面来创建样品表面的视觉图。表面和尖端之间的电压使电子“隧穿”尖端和表面之间的微小间隙，然后测量这些电子产生的电流并将其转换成图像。
AP-XPS 和 STM 测量结果共同表明，该催化剂系统可在室温下激活甲烷，破坏其碳氢键并将其转化为乙烷，乙烷可用于多种商业用途，包括制冷剂和燃料生产。总体而言，新催化剂的性能可与基于铂和钯等同类金属的昂贵催化剂相媲美。
超越甲烷
在布鲁克海文领导的另一项最新研究中，该研究小组的成员于 4 月份发表在《物理化学 C 杂志》上，确定该催化剂系统也能在室温下成功转化另一种温室气体二氧化碳。
他们使用相同的两种方法，即 IOS 光束线上的同步加速器 AP-XPS 和 STM，证明了氧化铜/铜表面上的氧化镁纳米团簇可以将二氧化碳分解成一氧化碳和其他碳物质。这种能力打开了反应通道，可能导致形成含氧化合物和轻质烷烃，这两种化学基团与燃料的生产有关。
伊斯兰说：“这些发现对于两种强效温室气体的可持续转化和碳减排战略迈出了重要一步。”