Colaboradores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia e universidades dos EUA usaram o espalhamento de nêutrons e outras técnicas de caracterização avançadas para estudar como um catalisador proeminente permite que a reação de "mudança de água-gás" purifique e gere hidrogênio em escala industrial.

Resultados publicados no Jornal da American Chemical Society estabeleceu um debate de longa data sobre o mecanismo de reação do catalisador, abrindo rotas para melhorar o custo e a eficiência da produção de hidrogênio em grande escala.

"Nosso trabalho avança significativamente a compreensão fundamental de um complexo, catalisador crítico da indústria que tem sido difícil de estudar, "disse Zili Wu da Divisão de Ciências Químicas do ORNL." Determinar como essa reação funciona no nível atômico permite mais esforços para otimizar o catalisador para melhor desempenho. "

Os colaboradores investigaram um catalisador de óxido de cobre-cromo-ferro (CuCrFeO _x ) fornecido pela Lehigh University.

“Já conhecemos o CuCrFeO existente _x catalisador funciona, mas como funciona tem sido objeto de debate, "disse Felipe Polo-Garzon do ORNL, que trabalhou com Wu na abordagem multimodal da equipe para identificar o mecanismo de reação do catalisador.

O objetivo era estudar como o catalisador se comporta em condições do mundo real para encontrar evidências de uma oxidação-redução ("redox") ou um mecanismo associativo - duas teorias predominantes sobre como CuCrFeO _x trabalha para produzir hidrogênio.

Em uma reação redox, reagentes trocam alguns de seus átomos com a superfície do catalisador para produzir novas substâncias, neste exemplo, hidrogênio e dióxido de carbono. Por contraste, em uma reação associativa, todas as moléculas reagentes se ligam à superfície do catalisador em uma etapa intermediária para chegar aos produtos finais.

Para provar inequivocamente como o CuCrFeO _x catalisador funciona (redox vs. mecanismo associativo), os pesquisadores lançam uma ampla rede de métodos experimentais e computacionais.

Todos os resultados apontaram para a mesma conclusão - uma reação redox. Em condições de alta temperatura, o catalisador perde átomos de oxigênio para abrir espaço para moléculas de água que se dissociam e liberam hidrogênio puro.

"A resposta é importante porque nos ajuda a identificar o ponto crítico na reação onde o hidrogênio é gerado, "disse Polo-Garzon.

Muitos catalisadores existentes foram criados por tentativa e erro, o que muitas vezes limita sua eficiência. A descoberta fundamental da equipe pode eliminar suposições e dizer aos pesquisadores exatamente onde procurar oportunidades para sintetizar um catalisador melhor para a geração de hidrogênio.

O hidrogênio é o elemento mais abundante da terra, mas não ocorre naturalmente na forma pura necessária às indústrias de refino de petróleo, produção de amônia para fertilizantes, processamento de comida, tratamento de metal, e outras aplicações amplas. A maior parte do suprimento de hidrogênio do mundo é produzida pela reforma do metano a vapor - convertendo o gás natural em uma mistura de hidrogênio que é refinada por meio de catálise de deslocamento de água-gás para produzir hidrogênio puro.

Vários fatores limitam a compreensão do que torna a geração de hidrogênio possível durante a reação de deslocamento água-gás. O CuCrFeO _x o catalisador reconstrói durante a operação, então as versões novas e gastas são diferentes, tornando especialmente desafiador caracterizar o material. Anteriormente, informações sobre como a química da superfície muda durante as condições de reação não estão no quebra-cabeça.

Outro obstáculo é a cor do composto. O catalisador preto obstrui a espectroscopia óptica e outras técnicas convencionais que dependem da luz para obter dados, porque a amostra é muito escura para "ver" com eficácia.

Experimentos de espectroscopia vibracional de nêutrons realizados na linha de luz VISION na Fonte de Nêutrons de Espalação de ORNL, um DOE Office of Science User Facility, ajudou a superar alguns dos desafios de estudar CuCrFeO _x .

Como os nêutrons interagem com as amostras de maneira diferente da luz, eles podem complementar informações obtidas por meio de técnicas ópticas. Eles também são ideais para observar o hidrogênio, o que é difícil de detectar com outros métodos experimentais devido ao baixo peso atômico do elemento.

A recompensa foi dupla, diz Polo-Garzon. "Os nêutrons nos deram uma peça crítica do quebra-cabeça para refutar o mecanismo associativo, mostrando-nos que nenhum intermediário relevante estava presente na superfície do catalisador, ", disse ele." Também observamos algo que não foi detectado anteriormente na superfície do catalisador - hidretos. "

Hidretos são espécies de superfície que desempenham um papel fundamental nas reações à base de hidrogênio, mas são extremamente difíceis de observar em materiais de metais mistos como CuCrFeO _x .

Além de experimentos com nêutrons, pesquisadores realizaram espectroscopia de infravermelho e caracterização de reação de superfície com temperatura programada no Center for Nanophase Materials Sciences, um DOE Office of Science User Facility, e análise cinética transiente isotópica em ORNL; espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de pressão próxima ao ambiente na Universidade de Kansas; e cálculos da teoria funcional da densidade na Universidade da Califórnia, Riverside, que utilizou recursos do Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética, um DOE Office of Science User Facility.

"Você precisa de mais de uma abordagem para reunir e interpretar todas as informações necessárias para construir a história inteira, "disse Polo-Garzon." Nossa colaboração destaca o sucesso de uma abordagem multimodal para produzir avanços fundamentais. "

O artigo do jornal é publicado como "Elucidação do mecanismo de reação para deslocamento de gás de água em alta temperatura sobre um catalisador de cobre-cromo-óxido de ferro do tipo industrial".