Apa sebenarnya yang terjadi saat Syngas diproduksi? Metode baru memungkinkan untuk mengamati proses secara real time. Ini menjawab pertanyaan bagaimana katalis bekerja secara rinci.
Untuk banyak aplikasi industri, seseorang membutuhkan gas sintesis, juga dikenal sebagai -syngas-, campuran hidrogen (h2) dan karbon monoksioda (CO). Selain metode produksi yang ditetapkan melalui reformasi uap, gas sintesis dapat secara alternatif dan bahkan lebih hemat energi-yang dihasilkan dari metana (châ ‘„) dan oksigen. Namun, dalam proses ini oksidasi total (pembakaran) metana menjadi CO2 dan h2O Harus dihindari, itulah sebabnya ada penelitian yang jelas tentang produksi syngas di seluruh dunia.
Katalis yang mengandung elemen seperti paladium digunakan untuk tujuan ini. Namun, sampai sekarang, tidak jelas persis bagaimana konversi metana ke syngas berlangsung pada permukaan paladium. Melalui kolaborasi antara Tu Wien dan Universitas Nasional Singapura (NUS), sekarang dimungkinkan untuk mengamati proses menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi-dengan apa yang disebut operando dikombinasikan dengan simulasi komputasi. Hasilnya menunjukkan bahwa reaksi membutuhkan sinergi antara berbagai daerah katalis.
Paladium dan paladium-oksida
-Metana adalah komponen utama gas alam. Hari ini kami tidak hanya menggunakannya untuk pemanasan-yang bermasalah karena alasan pemanasan global tetapi juga sebagai bahan baku untuk memproduksi bahan kimia dan bahan bakar,-kata Prof. Günther Rupprechter dari Institute of Material Chemistry di Tu Wien. -Bahkan di masa depan, metana akan memainkan peran dalam menghasilkan syngas dan mungkin tidak dapat sepenuhnya diganti dalam dekade berikutnya .-
Inilah sebabnya mengapa penelitian intensif sedang dilakukan hari ini untuk menemukan proses baru untuk menghasilkan syngas dari metana lebih efisien sambil menghindari over-oksidasi-yaitu, pembakaran ke co2 dan air. Proses ini disebut -oksidasi warna metana- (POM). -Dalam beberapa tahun terakhir kami telah menyelidiki POM pada berbagai katalis, yang sebagian besar berbasis nikel,-kata Rupprechter.
Mikroreaktor dalam mikroskop elektron
Sudah diketahui bahwa katalis yang terbuat dari nanopartikel logam bekerja dengan baik. Tetapi pertanyaan terbuka adalah apa yang sebenarnya terjadi pada nanopartikel logam individu selama reaksi katalitik. -Senanya, kami ingin tahu: Jika reaksi dilakukan dengan nanopartikel paladium, apakah paladium itu sendiri bertanggung jawab atas katalisis, atau palladium oksida, yang bentuknya selama reaksi?-
Pertanyaan ini sekarang dapat ditangani untuk pertama kalinya melalui kombinasi pendekatan canggih: tim mengamati nanopartikel secara real time selama reaksi katalitik menggunakan mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi. Pada saat yang sama, spektrometri massa digunakan untuk memantau produk mana yang terbentuk di mana dalam waktu dan semua ini dilengkapi dengan simulasi komputer. Kombinasi ini memungkinkan, untuk pertama kalinya, untuk mendapatkan gambaran mekanistik yang lebih tepat dari proses tersebut.
Bagaimana cara kerja katalis?
Alexander Genest dari tim Tu Wien, yang sebelumnya berafiliasi dengan Pusat Komputasi Kinerja Tinggi A*Star di Singapura, telah membuat kolaborasi antara Tu Wien dan Singapura tetap hidup selama bertahun -tahun. -Menggunakan pemodelan komputasi, kami sebelumnya telah melihat ke dalam oksidasi nanopartikel PD dan oksidasi CO, sehingga ekstensi terhadap oksidasi metana adalah target yang sangat menjanjikan, kata Alexander Genest.
Bersama dengan kandidat PhD Parninya (Lewis) tangpakonsab, ia melakukan simulasi berdasarkan teori fungsional kepadatan (DFT) untuk mempelajari aktivasi metana dan langkah -langkah reaksi berikutnya. -Kami ingin memahami asal mula oksidasi parsial dan total dan untuk mengklarifikasi dengan tepat apa yang terjadi di tingkat atom,- kata tangpakonsab.
Logam dan Oksida: Berhasil hanya dalam kombinasi
Hasilnya lebih kompleks dari yang diharapkan: baik logam maupun logam oksida saja bertanggung jawab atas katalisis-kinerja terbaik berasal dari keduanya bekerja bersama. – Dua fase mengambil tugas yang berbeda,- menjelaskan Günther Rupprechter. -The paladium dehidrogenat metana menjadi karbon dan hidrogen, sedangkan paladium oksida mengoksidasi karbon menjadi co.- Ini berarti bahwa katalisis yang paling efisien dapat terjadi semata-mata di daerah batas antara paladium dan paladium oksida.
-Kelompok kami telah sangat aktif dalam mikroskop elektron reaksi oksidasi permukaan di masa lalu, tetapi studi Operando-TEM baru ini memperluas pekerjaan ini ke kondisi industri. Didukung oleh MECS Cluster of Excellence, kami akan segera memiliki sel reaktor khusus juga tersedia di Tu Wien untuk pemeriksaan operando-tem yang serupa,- kata Günther Rupprechter, direktur penelitian MECS.
Publikasi asli
Studi Operando TEM oksidasi parsial metana melalui nanopartikel PD
Yinginging Jianang, Parninya (Lewis) Tangpakonsab, Alexander Genest, Günther Rupprechter, Utkur Mirsaidov, Lanjutan Sains, E07303 (2025)
https://doi.org/10.1002/advs.202507303
Penelitian yang didukung oleh Dana Sains Austria (FWF; [10.55776/F8100 and 10.55776/Coe5] (SFB Taco dan Cluster of Excellence Material untuk Konversi dan Penyimpanan Energi, MECS) dan Wina Scientiï¬ c Cluster (VSC).
