Обнаружение катализатора благородного металла в горных породах с помощью машины

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3765 (2023) Цитировать эту статью

747 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Улавливание углерода и каталитическая конверсия в метан перспективны для производства энергии с нейтральным уровнем выбросов углерода. Катализаторы из драгоценных металлов очень эффективны; тем не менее, у них есть несколько существенных недостатков, включая высокую стоимость, дефицит, воздействие на окружающую среду в результате добычи полезных ископаемых и требований к интенсивной переработке. Предыдущие экспериментальные исследования и текущие аналитические работы показывают, что хромититы огнеупорных сортов (богатые хромом породы с Al2O3 > 20% и Cr2O3 + Al2O3 > 60%) с определенными концентрациями благородных металлов (т. е. Ir: 17–45 частей на миллиард, Ru: 73–178 ppb) катализируют реакции Сабатье и производят абиотический метан; процесс, который не был исследован в промышленном масштабе. Таким образом, вместо концентрирования благородных металлов для катализа можно использовать природный источник (хромититы), содержащий благородные металлы. Стохастические алгоритмы машинного обучения показывают, что среди различных фаз сплавы благородных металлов являются естественными катализаторами метанирования. Такие сплавы образуются в результате химического разрушения ранее существовавших минералов платиновой группы (МПГ). Химическое разрушение существующих МПГ приводит к потере массы с образованием локально нанопористой поверхности. Фазы шпинели, богатые хромом, в которых содержатся включения МПГ, впоследствии являются носителем второго уровня. Текущая работа является первым междисциплинарным исследованием, показывающим, что сплавы благородных металлов в богатых хромом породах являются катализаторами Сабатье на двойной подложке. Таким образом, такие источники могут стать многообещающим материалом в поисках недорогих и устойчивых материалов для производства зеленой энергии.

Парижское соглашение подчеркивает первостепенную важность создания устойчивых источников топлива. Каталитическое гидрирование диоксида углерода является перспективным источником углеродно-нейтрального топлива1. Новые исследования в области устойчивой энергетики и защиты окружающей среды, а также реализация зеленой политики со стороны правительств и международных фондов2,3,4 подчеркивают необходимость перехода к экологически безопасному производству энергии.

Реакция Сабатье (уравнение 1) – хорошо известный и широко используемый процесс получения метана каталитическим гидрированием CO2. Это двухстадийная реакция, включающая комбинацию эндотермической реакции обратной конверсии водяного газа (RWGS) и экзотермического гидрирования CO (уравнения 2 и 3 соответственно) при повышенном давлении и температуре в диапазоне от 200 до 500 °C5.

Образующийся углеводород представляет собой не только метан, но и смесь углеводородов и других органических молекул в зависимости от активности и селективности катализатора. Катализаторы на основе никеля и рутения производят почти исключительно метан. Менее реакционноспособные металлические катализаторы (Pd, Pt, Rh, Mo, Re, Au) производят одновременно CH4, CH3OH и CO через RWGS5. В предыдущих исследованиях самая низкая зарегистрированная температура гидрирования CO2 была комнатной (25 °C). Наночастицы рутения, нанесенные на катализатор TiO2, приводят к образованию метана в течение первых 5 минут эксперимента6.

Интересно, что низкотемпературное (< 100 °C) гидрирование CO2 происходит в природе с образованием абиотического метана (далее метан) посредством реакции Сабатье. Исследования показывают, что источником метана являются богатые хромом породы (хромититы)7,8. Минералы с каталитическими свойствами в составе хромититов особенно перспективны для производства коммерчески эффективных и устойчивых катализаторов. Минеральные катализаторы могут снизить стоимость и воздействие на окружающую среду, связанное с синтезом катализаторов (например, меньшая обработка) и производством топлива (меньшая энергия для низкотемпературных реакций). В настоящее время существует ограниченное понимание ограничений, связанных с образованием метана при низких температурах. Прямые доказательства кинетики образования метана в природе ограничены. Существующие исследования по высокотемпературным (>300 °C) экспериментам не репрезентативны для метанирования в хромититах. Изотопный анализ метана в рутениевых хромититах позволяет предположить, что метан образовывался при температуре ниже 150 °С7,8,9. Эксперименты при низких температурах (< 100 °C) показали, что чистые рутениевые катализаторы в количествах, эквивалентных их естественному нахождению в хромититах, эффективно поддерживают метанирование10. Следовательно, первоначальная гипотеза заключалась в том, что катализатором должна быть наиболее распространенная рутениевая фаза в хромититах. Фазы с высоким содержанием рутения встречаются преимущественно в хромититах, включая твердые растворы лаурита (RuS2), лаурит-эрлихманита (OsS2) и сплавов Ir–Ru–Os–Ni (сплавы ИПГЭ-Ni)11,12,13. Однако точное место образования метана и сам катализатор(ы) плохо изучены.

20%, Cr2O3 + Al2O3 > 60% and are refractory. Spearman's correlations between methane and the chemical composition of each sample revealed significant positive correlations of methane with Cr, Fe2O3, MgO, Ru, Ir, Au, Co, MnO, Ni, Pd, Pt, Rh, V, W, Zn, elements variably present in chromitites. All the positively correlated elements are reported in the literature as constituents of Sabatier catalysts14. Among these elements, Ir and Ru show the highest significant correlations with methane (0.932 and 0.910, respectively, Supplementary Table 4). The samples with highest concentrations in both iridium and ruthenium (Ir: 17–45 ppb, Ru: 73–178 ppb) are refractory chromitites./p>

100 ppb), Sulphur is a common poison to the activity of a catalyst, and thus the secondary Ir–Ru–Os–Ni alloys represent a more promising catalyst target. These alloys are formed from the extreme desulphurisation of laurite that is causing mass loss and subsequently creating a nano-porous crystal surface. The Ir–Ru–Os–Ni alloys are the ideal loci of low-temperature CO2 hydrogenation (Fig. 3) due to their large specific area and pure metal form. Continuous flow of H2 gas generates extreme reducing conditions and triggers desulphurisation and formation of these alloys, in a process which may be an analogue of the routine pre-treatment methods used in catalysis to activate the metal catalysts and remove any adsorbed contaminants. The Ir–Ru–Os–Ni alloys are two-tiered supported catalysts: laurite is the integrated, first-level support, while spinel comprises the second-level support. As PGM precipitate from magmatic fluids, the bonding between the mineral catalyst and its support is superior to any synthetic counterpart. The current data cannot verify whether iridium is the catalyst or works as a promoter to ruthenium in the Ir–Ru–Os–Ni alloys (abbreviated as Ir–Ru alloys in the image) inside chromitites. Nonetheless, the overall composition of the catalyst and the support materials (e.g., Ru, Cr, MgO) may have an undetermined synergistic effect in natural systems. (abbreviated as Ir–Ru alloys in the image) inside chromitites./p>