기계를 이용한 암석 내 귀금속 촉매 검출

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3765(2023) 이 기사 인용

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탄소 포집과 메탄으로의 촉매 전환은 탄소 중립 에너지 생산에 유망합니다. 귀금속 촉매는 매우 효율적입니다. 그러나 높은 비용, 희소성, 채굴로 인한 환경 영향 및 강력한 처리 요구 사항을 포함하여 몇 가지 중요한 단점이 있습니다. 이전 실험 연구와 현재 분석 작업에 따르면 특정 귀금속 농도(예: Ir: 17~45ppb, Ru: 73~178)를 갖는 내화 등급 크로미타이트(Al2O3 > 20% 및 Cr2O3 + Al2O3 > 60%의 크롬이 풍부한 암석)가 있는 것으로 나타났습니다. ppb) Sabatier 반응을 촉매하고 비생물적 메탄을 생성합니다. 산업 규모에서 조사되지 않은 공정. 따라서, 촉매작용을 위해 귀금속을 농축하는 대신 귀금속을 함유한 천연 공급원(크로미타이트)을 사용할 수 있습니다. 확률론적 기계 학습 알고리즘은 다양한 단계 중에서 귀금속 합금이 천연 메탄화 촉매임을 보여줍니다. 이러한 합금은 기존 백금족 광물(PGM)이 화학적으로 파괴될 때 형성됩니다. 기존 PGM의 화학적 파괴로 인해 국지적으로 나노 다공성 표면이 형성되는 질량 손실이 발생합니다. PGM 함유물을 호스팅하는 크롬이 풍부한 스피넬 단계는 이후 2단계 지원입니다. 현재 연구는 크롬이 풍부한 암석 내의 귀금속 합금이 이중 지지형 Sabatier 촉매임을 보여주는 최초의 다학제적 연구입니다. 따라서 이러한 자원은 녹색 에너지 생산을 위한 저비용의 지속 가능한 재료를 찾는 데 있어 유망한 재료가 될 수 있습니다.

파리협정은 지속가능한 연료원 확립의 중요성을 강조합니다. 이산화탄소의 촉매 수소화는 유망한 탄소 중립 연료원입니다1. 지속 가능한 에너지 및 환경 보호에 대한 새로운 연구와 정부 및 국제 재단의 녹색 정책 구현2,3,4은 환경 친화적인 에너지 생산으로 전환해야 할 필요성을 강조합니다.

Sabatier 반응(식 1)은 CO2의 촉매 수소화 반응을 통해 메탄을 생산하는 잘 알려지고 널리 사용되는 공정입니다. 이는 200~500°C 범위의 높은 압력과 온도에서 흡열 역수성 가스 이동(RWGS) 반응과 발열 CO 수소화(각각 식 2 및 3)의 조합을 포함하는 2단계 반응입니다.

생성된 탄화수소는 전적으로 메탄이 아니라 촉매의 활성과 선택성에 따라 탄화수소와 기타 유기 분자의 혼합물입니다. 니켈과 루테늄 기반 촉매는 거의 독점적으로 메탄을 생성합니다. 반응성이 덜한 금속 촉매(Pd, Pt, Rh, Mo, Re, Au)는 RWGS5를 통해 CH4, CH3OH 및 CO를 동시에 생성합니다. 이전 연구에서 CO2 수소화에 대해 보고된 최저 온도는 실온(25°C)이었습니다. TiO2 촉매에 로딩된 루테늄 나노입자는 실험의 처음 5분 이내에 메탄을 형성합니다6.

흥미롭게도 저온(< 100°C) CO2 수소화는 자연에서 발생하며 Sabatier 반응을 통해 비생물적 메탄(이하 메탄)을 생성합니다. 연구에 따르면 메탄의 출처는 크롬이 풍부한 암석(크로미타이트)7,8입니다. 크로미타이트 내에서 촉매 특성을 갖는 광물은 상업적으로 효율적이고 지속 가능한 촉매를 생산하는 데 특히 유망합니다. 광물 촉매는 촉매 합성(예: 가공 감소) 및 연료 생산(저온 반응을 위한 더 낮은 에너지)과 관련된 비용 및 환경 영향을 줄일 수 있습니다. 현재 저온 메탄 형성 동안의 제약에 대한 이해는 제한적입니다. 자연에서 메탄 형성의 동역학에 대한 직접적인 증거는 제한적입니다. 고온(> 300°C) 실험에 대한 기존 연구는 흑색석의 메탄화를 대표하지 않습니다. 루테늄 함유 크로미타이트에서 메탄의 동위원소 분석은 메탄이 150°C 이하에서 형성되었음을 시사합니다7,8,9. 저온(< 100°C) 실험에서는 크로미타이트에서 자연적으로 발생하는 양과 동일한 양의 순수 루테늄 촉매가 메탄화를 효과적으로 지원한다는 사실이 입증되었습니다10. 따라서 원래의 가설은 크로미타이트에서 가장 풍부한 루테늄 상이 촉매가 되어야 한다는 것이었습니다. 루테늄이 풍부한 상은 주로 라우라이트(RuS2), 라우라이트-에리크마나이트(OsS2) 고용체 및 Ir-Ru-Os-Ni 합금(IPGE-Ni 합금)을 포함한 크로마이트에서 발생합니다. 그러나 메탄 생성의 정확한 위치와 실제 촉매는 잘 알려져 있지 않습니다.

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>