Klíč k efektivnější výrobě metanolu: Katalyzátor dynamicky mění tvar podle teploty

Vědci z Institutu Fritze Habera a Institutu Maxe Plancka pro chemickou energetickou konverzi odhalili zásadní mechanismus, který stojí za vysokou účinností katalyzátorů používaných při průmyslové výrobě metanolu.

Vědci z Institutu Fritze Habera a Institutu Maxe Plancka pro chemickou energetickou konverzi odhalili zásadní mechanismus, který stojí za vysokou účinností katalyzátorů používaných při průmyslové výrobě metanolu. Zjistili, že dynamická a na teplotu citlivá interakce mezi mědí a oxidem zinečnatým (Cu-ZnO) je klíčová pro funkci katalyzátoru, což otevírá nové možnosti pro racionální zlepšení tohoto procesu. Jejich poznatky byly publikovány v prestižním časopise Nature Catalysis.

Metanol (CH₃OH) je jednou z nejdůležitějších základních chemikálií na světě. Využívá se jako rozpouštědlo, při syntéze plastů a barev a také jako palivo. Díky své roli klíčového produktu pro chemický průmysl a budoucí klimaticky neutrální energetiku má metanol obrovský průmyslový a ekologický význam. Jeho výroba je rozsáhlý průmyslový proces, při kterém se syntézní plyn (směs oxidu uhelnatého, oxidu uhličitého a vodíku) přeměňuje v reaktoru za použití katalyzátorů. Syntéza metanolu je proto považována za slibný přístup k recyklaci zachyceného CO₂. Od 60. let 20. století se k tomuto účelu v průmyslu používají katalyzátory z oxidu mědi, zinku a hliníku (Cu/ZnO/Al₂O₃).

Přestože je známo, že vysoká aktivita těchto katalyzátorů pramení ze synergie mezi mědí a oxidem zinečnatým, podkladové chemické procesy, včetně vzájemného působení složek katalyzátoru a změn jeho struktury za reakčních podmínek, nebyly dosud dobře pochopeny. Vědci proto použili operando transmisní elektronovou mikroskopii (TEM), aby prozkoumali, jak se katalyzátor Cu/ZnO/Al₂O₃ vyvíjí „při práci“. Zkoumali nanočástice katalyzátoru v miniaturním reaktoru, kde mohli upravovat reakční podmínky. Tím odhalili dynamické strukturální změny katalyzátoru během aktivace a hydrogenace CO₂, což jsou klíčové procesy při syntéze metanolu.

Experimentální data ukazují, že povrch katalyzátoru je vysoce dynamický a reverzibilní strukturální transformace jsou řízeny teplotou. Například vrstvy ZnOₓ na povrchu katalyzátoru se otevírají při reakčních teplotách nad 220 °C, čímž se obnažují měděné povrchy pro katalytickou aktivaci CO₂. Po ochlazení se vrstva znovu utvoří, přičemž její tloušťka závisí na složení plynu proudícího reaktorem. Vědci předpokládají velmi zvláštní stav katalyzátoru, který nazvali „frustrovaný fázový přechod“. V tomto stavu se katalyzátor neustále a reverzibilně mění, je prakticky uvězněn v neklidu mezi dvěma stavy, protože určité fyzikální a chemické hnací síly nemohou být uspokojeny. V pozorovaném frustrovaném stavu se povrchové oblasti CuZn a rozhraní Cu-ZnO na povrchu katalyzátoru neustále vzájemně přeměňují, zatímco katalyzátor pracuje. Tato dynamická rovnováha je pravděpodobně kritická, možná dokonce klíčová pro vysokou aktivitu a stabilitu katalyzátoru.