Un nouveau Ingazno amorphe chargé de palladiumx (A-IGZO) Catalyseur a obtenu plus de 91% de sélectivité lors de la conversion du dioxyde de carbone en méthanol, signalent des chercheurs du Japon.
Contrairement aux catalyseurs traditionnels, ce système exploite les propriétés électroniques des semi-conducteurs pour générer toutes les espèces nécessaires à la réaction de conversion. Cette étude démontre de nouveaux principes de conception pour la catalyse durable basée sur l'ingénierie de la structure électronique.
La poussée globale pour la neutralité du carbone repose sur notre capacité non seulement à capturer le dioxyde de carbone (CO2), mais aussi le transformer en ressources précieuses.
L'une des avenues les plus prometteuses est la conversion du CO2 dans le méthanol (ch3OH), un élément de construction clé de l'industrie chimique et un support potentiel d'énergie propre dans une économie à base d'hydrogène. Bien que cette voie offre une voie convaincante pour réduire les émissions de gaz à effet de serre lors de la création de valeur, sa mise en œuvre est toujours confrontée à des défis techniques.
Catalyseurs conventionnels pour CO2-To-ch3La conversion OH, comme celles basées sur les systèmes d'oxyde de cuivre-zinc, souffre d'une mauvaise sélectivité. Ils ont tendance à produire du monoxyde de carbone indésirable (CO) comme sous-produit, qui abaisse le CH3OH Rendement et sape à la fois l'efficacité et les avantages environnementaux.
Cela a incité les chercheurs à explorer des stratégies au-delà de la conception conventionnelle du catalyseur, en tirant parti des propriétés électroniques intrinsèques des matériaux semi-conducteurs.
Dans une étude récente, une équipe de recherche dirigée par le professeur Hideo Hosono du MDX Research Center for Element Strategy de l'Institut of Science Tokyo (Science Tokyo), Japon, présente une nouvelle approche pour surmonter les limites actuelles.
Leurs résultats, qui ont été publiés dans Journal de l'American Chemical Societyrévéler comment les semi-conducteurs à oxyde de type N peuvent être conçus dans des catalyseurs très efficaces pour le CO2-To-ch3Oh conversion.
Le travail a été co-écrit par le professeur Masaaki Kitano et le professeur adjoint Masatake Tsuji, également de Science Tokyo, et mené en collaboration avec Mitsubishi Chemical Corporation.
Les chercheurs se sont concentrés sur les oxydes amorphes à base d'indium, en particulier A-Ingaznox (A-IGZO), qui est largement utilisé comme semi-conducteur pour piloter des pixels dans la technologie d'affichage. Ils ont synthétisé des poudres fines de ces oxydes pour maximiser leur surface – un facteur crucial pour l'activité catalytique.
Ensuite, l'équipe a évalué les performances catalytiques des matériaux synthétisés, à la fois indépendamment et lorsqu'ils sont chargés de nanoparticules de palladium (PD).
La percée clé est venue de comprendre comment la structure électronique de ces catalyseurs semi-conducteurs entraîne la réaction de conversion souhaitée.
Contrairement aux catalyseurs traditionnels qui reposent principalement sur la chimie de surface, le système A-IGZO présente des propriétés électroniques uniques. Plus précisément, sa bande de conduction minimum est alignée sur le soi-disant «niveau de transition de charge de l'hydrogène universel (UHCTL)», qui est le niveau d'énergie dans un semi-conducteur où H+ et h– Les ions sont également stables. UHCTL est situé à ~ 4,5 EV du niveau du vide.
Cet alignement permet au catalyseur de générer simultanément les espèces d'hydrogène chargées positivement et négative2 en ch3OH.
De plus, les nanoparticules de PD servent de fournisseurs d'hydrogène, dissociant les molécules d'hydrogène dans l'hydrogène atomique (H0) et les transférer à la surface de semi-conducteur. Une concentration élevée de support dans les semi-conducteurs d'oxyde facilite H0 Tunneling à travers la barrière Schottky de l'interface PD / semi-conducteur.
Grâce à ces mécanismes, le catalyseur A-IGZO chargé de PD a obtenu plus de 91% de sélectivité pour CH3OH Production – Une amélioration notable par rapport aux systèmes conventionnels.
« Notre travail montre que la réalisation de l'état bipolaire (H+ et h– ) de l'hydron est une clé de la synthèse de méthanol efficace et hautement sélective de CO2et le principe de conception du catalyseur est de choisir des semi-conducteurs d'oxyde de type N avec une bande de conduction minimale près de UHCTL et une concentration élevée de porteurs « , explique Hosono.
Dans l'ensemble, l'approche basée sur les semi-conducteurs proposée pourrait marquer un changement de paradigme dans la conception du catalyseur, passant des stratégies traditionnelles axées sur la chimie de surface à de nouvelles basées sur la structure électronique.
« Nos résultats démontrent non seulement l'efficacité de l'utilisation d'électrons, de trous, d'espèces d'hydrogène et de leur dynamique dans les semi-conducteurs pour CO2 L'hydrogénation, mais suggère également de nouvelles directives de conception pour les dispositifs chimiques tels que les catalyseurs et les batteries, « conclut Hosono.
Nous espérons que ces résultats accéléreront le développement de technologies de capture et d'utilisation du carbone plus efficaces.
