Za účinností niklových katalyzátorů při přeměně metanu na syntézní plyn nemusí stát kovový nikl, jak se dlouho předpokládalo. Výzkumníci z Dalian Institute of Chemical Physics při Chinese Academy of Sciences a jejich spolupracovníci popsali drobný atomární útvar, který se vytváří během reakce na povrchu oxidu nikelnatého. Podle studie zveřejněné v časopise Nature Catalysis právě tato struktura usnadňuje rozštěpení vazeb mezi uhlíkem a vodíkem v molekule metanu.
Částečná oxidace metanu je chemický proces, při němž metan reaguje s omezeným množstvím kyslíku a vzniká směs oxidu uhelnatého a vodíku, známá jako syntézní plyn. Ta slouží jako surovina například pro výrobu paliv a dalších chemikálií. Niklové katalyzátory se pro tuto reakci používají díky poměrně nízké ceně, dosavadní postupy však často pracovaly s vysokým obsahem niklu, zhruba kolem deseti hmotnostních procent.
Vědci připravili katalyzátor, v němž bylo na oxidu hlinitém rozptýleno pouze 0,8 hmotnostního procenta niklu. Při teplotě 650 stupňů Celsia převedl 92 procent přiváděného metanu a dosáhl 87procentní selektivity vůči oxidu uhelnatému a vodíku. Poměr vodíku k oxidu uhelnatému zůstal přibližně 2,0, což odpovídá složení vhodnému pro některá navazující průmyslová zpracování.
Výkon tohoto materiálu byl srovnatelný s katalyzátorem obsahujícím 8,0 hmotnostního procenta niklu, tedy desetinásobné množství kovu. Po reakci přitom vědci téměř nedetekovali kovový nikl. Pozorování za reakčních podmínek ukázala, že původní niklové částice se rychle oxidují na oxid nikelnatý. Samotný čistý oxid nikelnatý však podle pokusů částečnou oxidaci metanu účinně neprováděl a vedl spíše k úplnému spálení metanu.
Podrobnější měření pomocí spektroskopie a mikroskopie v prostředí blízkém skutečné reakci odhalila na povrchu NiO(100) vznik takzvaného motivu [Ni1O1Ni4]. Jde o uspořádání, v němž jeden atom niklu leží nad kyslíkovým atomem propojujícím čtyři okolní atomy niklu. Počítačové výpočty metodou teorie funkcionálu hustoty, která umožňuje odhadovat průběh reakcí na úrovni elektronů, ukázaly, že tento útvar snižuje vypočtenou energetickou bariéru aktivace vazby C–H na 12,5 kilokalorie na mol. U neporušeného povrchu NiO(100) činila 38,5 kilokalorie na mol a u kovového niklu 15,7 kilokalorie na mol.
Výsledky tak podporují závěr, že aktivní místo katalyzátoru nemusí být stabilní částicí přítomnou už před začátkem reakce, ale může vznikat až za provozu přeskupením atomů na povrchu. Studie nicméně představuje laboratorní ověření konkrétního materiálu a reakčních podmínek; sama o sobě ještě neprokazuje, že bude katalyzátor stejně spolehlivý v průmyslových zařízeních. Ukazuje však, že při návrhu katalyzátorů může být důležitější sledovat jejich proměny během reakce než pouze jejich počáteční podobu.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.