Rilevamento di catalizzatori di metalli nobili nelle rocce mediante macchina

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3765 (2023) Citare questo articolo

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La cattura del carbonio e la conversione catalitica in metano sono promettenti per la produzione di energia a zero emissioni di carbonio. I catalizzatori di metalli preziosi sono altamente efficienti; tuttavia presentano numerosi inconvenienti significativi tra cui costi elevati, scarsità, impatto ambientale derivante dall'estrazione mineraria e requisiti di lavorazione intensivi. Precedenti studi sperimentali e l'attuale lavoro analitico mostrano che le cromiteti di grado refrattario (rocce ricche di cromo con Al2O3 > 20% e Cr2O3 + Al2O3 > 60%) con determinate concentrazioni di metalli nobili (cioè Ir: 17–45 ppb, Ru: 73–178 ppb) catalizzano le reazioni di Sabatier e producono metano abiotico; un processo che non è stato studiato su scala industriale. Pertanto, una fonte naturale (cromititi) che ospita metalli nobili potrebbe essere utilizzata invece di concentrare i metalli nobili per la catalisi. Algoritmi stocastici di machine learning mostrano che tra le varie fasi, le leghe di metalli nobili sono catalizzatori naturali di metanazione. Tali leghe si formano quando i minerali preesistenti del gruppo del platino (PGM) vengono distrutti chimicamente. La distruzione chimica dei MGP esistenti provoca una perdita di massa che forma localmente una superficie nanoporosa. Le fasi di spinello ricche di cromo, che ospitano le inclusioni di PGM, costituiscono successivamente un supporto di secondo livello. Il lavoro attuale è la prima ricerca multidisciplinare che mostra che le leghe di metalli nobili all'interno di rocce ricche di cromo sono catalizzatori Sabatier a doppio supporto. Pertanto, tali fonti potrebbero rappresentare un materiale promettente nella ricerca di materiali sostenibili e a basso costo per la produzione di energia verde.

L’accordo di Parigi sottolinea l’importanza fondamentale di stabilire fonti di carburante sostenibili. L’idrogenazione catalitica del biossido di carbonio è una promettente fonte di combustibile a zero emissioni di carbonio1. La ricerca emergente sull’energia sostenibile e sulla protezione dell’ambiente e l’attuazione di politiche verdi da parte di governi e fondazioni internazionali2,3,4 sottolineano la necessità di spostarsi verso una produzione di energia rispettosa dell’ambiente.

La reazione di Sabatier (Eq. 1) è un processo ben noto e ampiamente utilizzato per produrre metano dall'idrogenazione catalitica della CO2. Si tratta di una reazione in due fasi, che prevede la combinazione di una reazione endotermica di reverse water gas shift (RWGS) e di un'idrogenazione esotermica di CO (Eq. 2 e 3, rispettivamente), a pressioni elevate e temperature comprese tra 200 e 500 °C5.

L'idrocarburo prodotto non è esclusivamente metano ma una miscela di idrocarburi e altre molecole organiche a seconda dell'attività e della selettività del catalizzatore. I catalizzatori a base di nichel e rutenio producono quasi esclusivamente metano. Catalizzatori metallici meno reattivi (Pd, Pt, Rh, Mo, Re, Au) producono simultaneamente CH4, CH3OH e CO tramite RWGS5. Negli studi precedenti, la temperatura più bassa riportata per l’idrogenazione della CO2 era quella ambiente (25 °C). Una nanoparticella di rutenio caricata su un catalizzatore di TiO2 porta alla formazione di metano entro i primi 5 minuti dell'esperimento6.

È interessante notare che in natura avviene l’idrogenazione della CO2 a bassa temperatura (< 100 °C), producendo metano abiotico (metano da qui in avanti) tramite la reazione di Sabatier. Gli studi suggeriscono che la fonte del metano sono le rocce ricche di cromo (cromiti)7,8. I minerali con proprietà catalitiche all'interno delle cromiteti sono particolarmente promettenti nella produzione di catalizzatori commercialmente efficienti e sostenibili. I catalizzatori minerali potrebbero ridurre i costi e l'impatto ambientale legati alla sintesi dei catalizzatori (ad esempio, minore lavorazione) e alla produzione di carburante (minore energia per reazioni a temperatura più bassa). Attualmente esiste una conoscenza limitata sui vincoli durante la formazione di metano a bassa temperatura. Le prove dirette della cinetica della formazione di metano in natura sono limitate. Gli studi esistenti su esperimenti ad alta temperatura (> 300 °C) non sono rappresentativi della metanazione nelle cromiteti. Le analisi isotopiche del metano nelle cromititi contenenti rutenio suggeriscono che il metano si è formato a temperature inferiori a 150 °C7,8,9. Esperimenti a bassa temperatura (< 100 °C) hanno dimostrato che i catalizzatori di rutenio puro, in quantità equivalenti alla loro presenza naturale nelle cromiti, supportano efficacemente la metanazione10. Quindi l'ipotesi originale era che la fase di rutenio più abbondante nelle cromiteti dovesse fungere da catalizzatore. Le fasi ricche di rutenio si trovano principalmente nelle cromiteti, tra cui soluzioni solide di laurite (RuS2), laurite-erlichmanite (OsS2) e leghe Ir–Ru–Os–Ni (leghe IPGE-Ni)11,12,13. Tuttavia, il luogo esatto della generazione del metano e il/i catalizzatore/i effettivo/i sono poco conosciuti.

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>