Birçok endüstriyel uygulama için, “singalar” olarak da bilinen sentez gazına ihtiyaç duyan bir hidrojen karışımı (H2) ve karbon monoksit (CO). Buhar reformu yoluyla yerleşik üretim yöntemine ek olarak, sentez gazı alternatif olarak – ve daha fazla enerji verimli – metandan üretilebilir (CH4) ve oksijen.
Bununla birlikte, bu işlemde, metanın toplam oksidasyonu (yanma)2 ve H2O kaçınılmalıdır, bu yüzden dünya çapında singas üretimi hakkında kapsamlı bir araştırma vardır.
Paladyum gibi elementleri içeren katalizörler bu amaç için kullanılır. Ancak şimdiye kadar, metanın singalara dönüşümünün palladyum yüzeylerinde nasıl ilerlediği tam olarak belirsizdi.
TU Wien ve Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) arasındaki bir işbirliği yoluyla, hesaplamalı simülasyonlarla birleştirilmiş yüksek çözünürlüklü transmisyon elektron mikroskopisi – operando TEM ile – yüksek çözünürlüklü iletim elektron mikroskopisi kullanarak gözlemlemek mümkün olmuştur.
Dergide yayınlanan sonuçlar İleri Bilimreaksiyonun farklı katalizör bölgeleri arasında bir sinerji gerektirdiğini gösterin.
Paladyum ve paladyum-oksit
“Metan doğal gazın ana bileşenidir. Bugün sadece ısıtma için kullanmıyoruz – ki bu küresel ısınma nedenlerinden dolayı sorunlu – aynı zamanda kimyasallar ve yakıtlar üretmek için bir hammadde olarak” diyor Prof.
Diyerek şöyle devam etti: “Gelecekte bile, metan singalar üretmede rol oynayacak ve muhtemelen önümüzdeki on yıl içinde tamamen değiştirilemez.”
Bu nedenle yoğun araştırma, aşırı oksidasyondan kaçınırken metandan singalar daha verimli bir şekilde üretmek için yeni süreçler arıyor – yani CO’ya yanma2 ve su. Bu işleme “metanın kısmi oksidasyonu” (POM) denir. Rupprechter, “Son yıllarda POM’u çoğu nikel tabanlı olan çeşitli katalizörler üzerinde araştırdık.” Diyor.
Bir elektron mikroskopunda bir mikro -aktör
Metal nanoparçacıklardan yapılmış katalizörlerin iyi çalıştığı zaten biliniyordu. Ancak açık soru, katalitik reaksiyon sırasında tek tek metal nanoparçacıklara tam olarak ne olacağıydı.
“Özellikle bilmek istedik: eğer reaksiyon palladyum nanopartikülleri ile gerçekleştirilirse, palladyumun kendisi katalizden sorumlu mu yoksa reaksiyon sırasında oluşan palladyum oksit mi?”
Bu soru şimdi gelişmiş yaklaşımların bir kombinasyonu ile ilk kez ele alınabilir: ekip, yüksek çözünürlüklü iletim elektron mikroskopisi kullanılarak katalitik reaksiyon sırasında nanopartikülleri gerçek zamanlı olarak gözlemledi.
Aynı zamanda, hangi ürünlerin hangi noktada oluştuğunu izlemek için kütle spektrometrisi kullanıldı – ve bunların hepsi bilgisayar simülasyonları ile tamamlandı. Bu kombinasyon, ilk kez sürecin daha kesin bir mekanik resmini elde etmeyi mümkün kıldı.
Katalizör nasıl çalışır?
Daha önce Singapur’daki A*Yıldız Yüksek Performanslı Bilgi İşlem Merkezi’ne bağlı olan TU Wien ekibinden Alexander Genest, Tu Wien ve Singapur arasındaki işbirliğini yıllar boyunca canlı tuttu.
Alexander Genest, “Hesaplamalı modellemeyi kullanarak, daha önce PD nanoparçacık oksidasyonu ve CO oksidasyonuna bakmıştık, böylece metan oksidasyonunun uzantısı çok umut verici bir hedefti.”
Doktora ile birlikte Aday Parinya (Lewis) Tangpakonsab, metan aktivasyonunu ve sonraki reaksiyon adımlarını incelemek için yoğunluk fonksiyonel teorisine (DFT) dayalı simülasyonlar gerçekleştirdi.
Tangpakonsab, “Kısmi ve toplam oksidasyonun kökenini anlamak ve atom seviyesinde ne olduğunu tam olarak açıklığa kavuşturmak istedik” diyor.
Metal ve oksit: sadece kombinasyon halinde başarılı
Sonuç beklenenden daha karmaşıktı: ne metal ne de metal oksit tek başına katalizden sorumlu değil – en iyi performans birlikte çalışan ikisinden geliyor.
Rupprechter, “İki aşama farklı görevler üstleniyor.” “Paladyum metanı karbon ve hidrojene dehidrojenat ederken, palladyum oksit karbonu CO’ya oksitleştirir.” Bu, en etkili katalizin sadece palladyum ve palladyum oksit arasındaki sınır bölgelerinde gerçekleşebileceği anlamına gelir.
MECS araştırma direktörü Rupprechter, “Grubumuz geçmişte yüzey oksidasyon reaksiyonlarının elektron mikroskopisinde zaten çok aktif olmuştur, ancak bu yeni operando -TEM çalışması bu çalışmayı endüstriyel koşullara genişletiyor … Yakında benzer operando -eschen muayenesi için TU Wien’de de mevcut özel reaktör hücreleri olacak.” Diyor.
