Photoinduced transformation of carbon-dioxide on anion doped and newly developed metal promoted catalysts  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
115769
Type PD
Principal investigator Halasi, Gyula
Title in Hungarian Szén-dioxid fotoindukált átalakítása anion dotált és új fejlesztésű fém adalékolt fotokatalizátorokon
Title in English Photoinduced transformation of carbon-dioxide on anion doped and newly developed metal promoted catalysts
Keywords in Hungarian fotokatalitikus reakció, szén-dioxid átalakítása, platina fémek rávitele, fotokatalizátorok
Keywords in English photocatalytic reactions, transformation of carbon-dioxide, Pt metals deposited, photocatalysts
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)50 %
Ortelius classification: Photochemistry
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences)30 %
Analytical Chemistry (Council of Physical Sciences)20 %
Ortelius classification: Instrumental analysis
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Department of Applied and Environmental Chemistry (University of Szeged)
Starting date 2015-09-01
Closing date 2018-08-31
Funding (in million HUF) 22.158
FTE (full time equivalent) 2.70
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A benyújtott tudományos program fő célkitűzése a szén dioxid fotokémiai úton történő aktiválása és átalakítása értékesebb vegyületekké, emellett az alkalmazott katalizátorminták katalitikus sajátságainak vizsgálata ezekben a reakciókban. A kutatás fő profilja a CO2 átalakítása a H2O, a CH4 és a H2 fotoindukált reakciójában, alap és anion dotált nemesfémmel adalékolt, főként TiO2 hordozós alapú katalizátorokon. Az alkalmazott hordozó vagy katalizátor tiltott sávszélességét eltérő vegyértékű kation és anion (nitrogén) atomok beépítésével módosítjuk. A kutatás későbbi célja a besugárzás hullámhosszának eltolása az alacsonyabb frekvenciák felé, ezáltal kiterjesztve a kutatás irányát a látható fényben végzett fotolízis felé. A reakciótermékek azonosítását gázkromatográfiás, a katalizátorok jellemzését pedig röntgen-fotoelektron és infravörös spektroszkópiás módszerrel szándékozunk vizsgálni. Külön figyelmet fordítunk azon katalizátor-hordozó rendszerek alkalmazására, amelyek már az eddigi fotokatalitikus reakciókban is hatásosaknak bizonyultak.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A szén-dioxid fotoindukált reakcióban történő átalakítása ígéretes módszere annak, hogy üzemanyagot vagy más értékes vegyületet állítsunk elő úgy, hogy ezáltal csökkentjük az olyan fosszilis energiahordozók felhasználása által a légkörbe került CO2 mennyiségét, mint a szén vagy a kőolaj. Várakozásaink szerint a rendszer UV fénnyel történő bevilágítása elősegíti a CO2 átalakítását az alkalmazott reakciópartnerekkel már szobahőmérsékleten. Vizsgálataink legfőbb eredménye várhatóan az eddigi munkáink alapján továbbfejlesztett fotokatalitikus reaktorban a CO2 hatásos fotoindukált átalakítása és olyan katalizátor kifejlesztése, amin ez a folyamat már megfelelő konverzióval megy végbe. Tisztázni szeretnénk, hogy azonos reakciókörülmények között milyen mértékben alakítható át a CO2 vízzel, metánnal és hidrogénnel végzett fotoindukált reakciójában és a jelenlegi és a tervezett katalizátorok aktivitása hogyan maximalizálható ebben az átalakításban, látható fényű besugárzás esetén is. Figyelmet fordítunk a reagáló gázok kölcsönhatásában és katalitikus reakcióiban képződő felületi köztitermékek kialakulására és a katalitikus folyamatban való lehetséges szerepére.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az üvegház hatást okozó gázok közül a CO2 egyre növekvő légköri koncentrációja globális problémát teremt. Ezért kibocsátásának csökkentése és átalakítása hasznosabb vegyületekké tekinthető a tudományos világ egyik nagy kihívásának. A legnagyobb gondot a CO2 molekula nagy stabilitása jelenti, ezáltal megnehezítve az aktiválását és ebből adódóan az átalakítását. Az ilyen fotokémiai úton történő reakciók energiagátja magas, így olyan katalizátorokra van szükségünk, amely az UV megvilágítás hatására képes megfelelni ennek a feladatnak. Ezen a rendszeren végbemenő reakciók követése segíti a folyamatok molekuláris szinten történő megértését és a jövőbeli esetleges alkalmazás optimalizálását. A félvezető TiO2 gyakran használt fotokatalizátor, de a magas tiltott sáv szélessége miatt (3,0 - 3,2 eV) UV fény szükséges a besugárzáshoz, mivel a napenergiának csak 4%-a hasznosítható a fotolízis számára. A fotokatalízisben az anionos dotálás hatékonyan csökkenti a TiO2 tiltott sáv szélességét, lehetővé téve ezáltal a látható fény indukálta fotolízist. Mindezt figyelembe véve tanulmányozzuk a CO2 katalitikus átalakítását szénhidrogénekké, szintézis gázzá és metanollá az eddig kevésbé alkalmazott tiszta, dotált és promotált katalizátor rendszerek alkalmazásával. A munkában figyelembe vesszük a CO2 aktiválása terén elért felületkémiai kísérletek eredményeit.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A széndioxid napenergia által értékesebb vegyületté történő átalakítása ígéretes megközelítés lehet, hiszen egyszerre két probléma megoldását kínálja: A szén dioxid magas légköri koncentrációja, amit nem képes ellensúlyozni a természetes megkötődési ciklus illetve egy jövőbeli globális üzemanyag krízis, amely elkerülhetetlen a szén, a földgáz vagy a kőolaj természetes képződési ideje miatt. Jelen projekt keretében a kutatócsoportban a felületi tudomány és heterogén katalízis terén végzett intenzív kutatásainkat olyan környezetkímélő katalitikus reakciókra kívánjuk kiterjeszteni, melyek kémiai nyersanyagok átalakítására és tisztítására, valamint az atmoszférát érintő káros gázkibocsátás csökkentésére irányulnak. Olyan fénnyel indukált folyamatokat kívánunk tanulmányozni, melyek alternatív reakció utakat jelentenek a tiszta napenergia felhasználására, illetve lehetőséget adnak felületi tulajdonságok, pl. az elektromos vezetőképesség befolyásolására. A vizsgálandó katalitikus reakció az üvegház hatású CO2 metanollá, szénhidrogénekké és egyéb értékes vegyületekké történő átalakítása. A katalitikus aktivitás és a felületi átmeneti reakciótermékek vizsgálatát gázkromatográfiával, illetve rezgési és elektron spektroszkópiai módszerek alkalmazásával kívánjuk elvégezni. Kutatási programunk fontos eleme nanoszerkezetű anyagok (főleg fémek) hordozókon történő előállítása. Ezek különböző felületvizsgáló módszerekkel történő jellemzése, valamint megkötődési képességük és aktivitási tulajdonságaik vizsgálata ezekben a reakciókban.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The main goal of the submitted scientific research plan is to investigate the photocatalytic activation and transformation of carbon-dioxide to more valuable products. In addition to this our research program is to investigate the characterization of the applied catalysts and catalytic performance of supported catalysts in these selected, important reactions. The major profile of this project is to convert CO2 to hydrocarbons, methanol or other products in the photocatalytic reaction with water, methane or hydrogen. The electric properties of the applied catalysts will be altered by doping them with cations and anions. Thus the eventual goal is to shift the frequencies of the irradiation light source to the lower range thereby to extend our investigation towards the visible light photolysis. Reaction products will be analysed by gas chromatograph. X-ray photoelectron spectroscopy and infrared spectroscopy will be used for catalyst characterization. Special attention will be first paid to those catalyst-support systems, which were found to be active in previous photocatalytic reactions.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
The conversion of carbon dioxide using light energy has the potential to produce useful fuels or valuable chemicals while decreasing CO2 level from the use of fossil fuels such as coal or petroleum. We expect that UV illumination of the system induce the catalytic conversion of carbon-dioxide with the applied reaction partner even at room temperature. The expected main outcome is the effective photoinduced transformation of the CO2 in the improved photocatalytic reactor which is based on our previous research and development of new catalysts which achieve acceptable conversion in this process. We would like to clarify that under same reaction conditions what is the extent of transformation in the reaction with water, methane or hydrogen and the current and how to maximize the planned catalysts efficiency in this transformation, even under visible light irradiation. We pay a great attention to the formation, the reactivity and the possible role of surface intermediates formed during the interaction and catalytic processes of the reacting gases.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
The increasing atmospheric concentration one of the greenhouse effect gases, carbon-dioxide will create a global problem. Therefore, the reduction of emissions and adaptation to useful compounds considered to be one of the world's major scientific challenge. The biggest problem is the high stability of the CO2 molecule, thereby making it difficult for the activation and hence the transformation. Such as photochemical reactions has high energy barrier, so we need such catalysts that are able to fulfill this task due to UV exposure. Following reactions on these systems under circumstances allows us to map the processes on molecular level and aids the optimization of the future application. TiO2, as a semiconductor is applied frequently as a photocatalyst. However, its wide bandgap (3.0-3.2 eV) requires the use of UV light during the reactions, as only 4% of solar energy can be utilized for photoreactions. In photocatalysis anionic dopants have been found to be effective by narrowing the bandgap of TiO2, leading to visible light photocatalysis. Catalytic conversion of CO2 into hydrocarbons, to syngas and to methanol on new pure and promoted catalysts will be also investigated. The planned research will be based on the results achieved by the ongoing research in the laboratory on metal single crystal surface concerning the activation of CO2.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Carbon-dioxide reduction to hydrocarbons by harvesting solar energy is a promising approach since it may be the candidate to the solution of two problems: high CO2 levels in the atmosphere which could not be compensated by CO2 fixation cycles and future world fuel crisis which is unavoidable due to long formation times of coal, natural gas or oil. In this project we plan to extend our intensive research on surface science and heterogeneous catalysis towards green solutions regarding the effective catalytic conversion and purification of raw materials and eliminating harmful gas exposure to the atmosphere. We intend to study photo-driven processes which provide alternative reaction routes using clean solar energy and which give the possibility to control surface properties like electrical conductivity. We plan to study the catalytic hydrogenation of greenhouse gas, CO2 to methanol, hydrocarbons or other valuable products. The catalytic activity and surface reaction intermediates are to be studied by means of gas chromatography, vibrational and surface techniques. An important part of our research program is the preparation of nanostructured materials, mainly metals, on various supports, their characterization by spectroscopic methods and the study of their adsorptive and catalytic properties.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A projekt 3 éve alatt különböző módon előállított és eltérő karakterű katalizátorokon végeztünk katalitikus vizsgálatokat jellemzően CO2 hidrogénezési reakcióban. A katalizátorok és a hordozók sokszínűsége miatt (nanoszál struktúra, szabályozott méretű Pt nanorészecskék, invert vázas hordozós rendszerek és szén nanokompozitok) karakterizálásukkal jobban megértettük a reakcióban betöltött szerepüket. Összehasonlító tanulmányt végeztünk a CO2 + H2 reakciójáról fotoindukált, termikus és nagy nyomású körülmények között, hordozós arany adalékolt katalizátorokon és termikus vizsgálatokat végeztünk a CO2 propánnal történő átalakításában. A CO2 etánnal végzett fotoindukált átalakításában etilén képződését nem figyeltük meg. Különböző Pd adalékolt szénkompozit katalizátorok aktivitását vizsgáltuk, etán bomlásában. Folytatásként adalékolt N dópolt bambusz szerkezetű CNT katalizátorok aktivitását hasonlítottuk össze a CO2 + H2 reakciójában. Különböző típusú szilika alapú hordozós katalizátorokat vizsgáltunk, és ezek aktivitását hasonlítottuk össze etanol bomlási reakciójában. A CO2 hidrogénezését próbáltunk molekuláris szinten feltérképezni, a reakciót Pt/NiO hordozós katalizátoron végeztük, majd összevetettük a NAP-XPS a DRIFTS és a katalitikus eredményeket. Pt adalékolt mezopórusos kobalt-oxid kiemelkedő aktivitását mutattuk ki a CO2 hidrogénezési reakciójában. A fenti témák mindegyike elfogadott nemzetközi publikációként leközölve.
Results in English
During the 3 years of the project we performed a series of catalytic studies on different types of catalysts, mainly in the CO2 hydrogenation reaction. Due to the different series of catalysts and supports (nanowire systems, controlled size Pt, hard template-based silica, different C nanocomposites) we characterized them to investigate their impact and role in the reaction, as well. The main part of our research program was devoted to transform the CO2 on different supported catalysts. We made a catalytic study to compare the Au supported catalysts effect in different environments. The photoinduced, a "standard" catalytic way and a high-pressure reaction were compared in the CO2 hydrogenation reaction. In the CO2 reaction with propane we achieved the highest activity on the ZnO supported Au catalysts. A great attention was paid to the photo-induced reaction of CO2 with ethane. An interesting finding is the absence of ethene in the photocatalytic decomposition of ethane. Silica-Based Catalyst Supports Are Inert, Are They Not? We made great effort to find differences in ethanol decomposition evidenced by SAXS. Pt/NiO catalysts were tested in the CO2 hydrogenation reaction. The in situ catalytic technics were compared with each other and the catalysts were monitored also under reaction conditions with NAP-XPS and in situ DRIFTS. Controlled size Pt nanoparticles were anchored on Co3O4 and were tested in CO2 + H2 reactions. All the above-mentioned projects were published.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=115769
Decision
Yes





 

List of publications

  
András Sápi, Gyula Halasi, János Kiss, Dorina G Dobó, Koppány L Juhász, Vanessza J Kolcsár, Zsuzsa Ferencz, Gábor Vári, Vladimír Matolin, András Erdőhelyi, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya: In Situ DRIFTS and NAP-XPS Exploration of the Complexity of CO2 Hydrogenation over Size-Controlled Pt Nanoparticles Supported on Mesoporous NiO, The Journal of Physical Chemistry C 122 10 5553-5565; DOI: 10.1021/acs.jpcc.8b00061, 2018
Mária Szabó, Gyula Halasi, András Sápi, Koppány L. Juhász, János Kiss, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya: Outstanding activity and selectivity of controlled size Pt nanoparticles over WO3 nanowires in ethanol decomposition reaction, Journal of Nanoscience and Nanotechnology - Accepted Manuscript (Accepted in 01/2018), 2018
András Sápi, Gyula Halasi, András Grósz, János Kiss, Albert Kéri, Gergő Ballai, Gábor Galbács, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya: Designed 4 nm Pt promoted 3D Mesoporous Co3O4 supported catalyst in CO2 hydrogenation, Journal of Nanoscience and Nanotechnology - Accepted Manuscript (Accepted in 01/2018), 2018
Emőke Sikora, Ádám Prekob, Gyula Halasi, László Vanyorek, Péter Pekker, Ferenc Kristály, Tamás Varga, János Kiss, Zoltán Kónya, Béla Viskolcz: Development and application of carbon layers stabilized nitrogen-doped bamboo like carbon nanotubes catalysts in CO2 hydrogenation, Chemistryopen - Accepted manuscript, 2018
Gyula Halasi, Andrea Gazsi, Tamás Bánsági, Frigyes Solymosi: Catalytic and photocatalytic reactions of H2+ CO2 on supported Au catalysts, Applied Catalysis A: General 506 (2015) 85-90, 2015
Anita Tóth, Gyula Halasi, Tamás Bánsági, Frigyes Solymosi: Reactions of propane with CO2 over Au catalysts, Journal of Catalysis 337 (2016) 57-64, 2016
Gyula Halasi, Anita Toth, Tamas Bansagi, Frigyes Solymosi: Production of H2 in the photocatalytic reactions of ethane on TiO2-supported noble metals, International journal of hydrogen energy 41 (2016) 13485-13492, 2016
Gyula Halasi, Anita Tóth, Zoltán Kónya, Frigyes Solymosi: Reactions of hydrocarbons with CO2 over supported Au, Poszter, 2016
Gyula Halasi, Anita Tóth, Tamás Bánsági, Zoltán Kónya, Frigyes Solymosi: Production of H2 in the photocatalytic reactions of ethane on TiO2-supported noble metals, Poszter, 2016
László Vanyorek, · Gyula Halasi, · Péter Pekker, · Ferenc Kristály, · Zoltán Kónya: Characterization and Catalytic Activity of Different Carbon Supported Pd Nanocomposites, Catalysis Letters , (2016) 146:2268–2277 DOI 10.1007/s10562-016-1857-8, 2016
András Sápi,*, Dorina G. Dobó, Dániel Sebők, Gyula Halasi, Koppány L. Juhász, Ákos Szamosvölgyi, Péter Pusztai, Erika Varga, Ildikó Kálomista, Gábor Galbács, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya: Silica-Based Catalyst Supports Are Inert, Are They Not?: Striking Differences in Ethanol Decomposition Reaction Originated from Meso- and Surface-Fine-Structure Evidenced, J. Phys. Chem. C, 2017, 121 (9), pp 5130–5136 DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b00034, 2017
Attila Dékány  · Enikő Lázár  · Bálint Szabó  · Viktor Havasi  · Gyula Halasi  · András Sápi  · Ákos Kukovecz · Zoltán Kónya · Kornél Szőri  · Gábor London: Exploring Pd/Al2O3 Catalysed Redox Isomerisation of Allyl Alcohol as a Platform to Create Structural Diversity, Catal Lett (2017) 147:1834–1843 DOI 10.1007/s10562-017-2087-4, 2017
Gyula Halasi, András Sápi, János Kiss , Dorina Dobó, Kornélia Baán, Koppány Juhász, András Erdőhelyi, Vladimir Matolin, Zoltán Kónya: Molecular level exploration of the complexity of hydrogenation of CO2 over size controlled Pt nanoparticles supported on mesoporous NiO by in-situ DRIFTS and NAP-XPS tech, Poszter - ECOSS 33, 2017
Anita Tóth, Gyula Halasi, Tamás Bánsági, Frigyes Solymosi: Reactions of propane with CO2 over Au catalysts, Journal of Catalysis 337 (2016) 57-64, 2016
Gyula Halasi, Anita Toth, Tamas Bansagi, Frigyes Solymosi: Production of H2 in the photocatalytic reactions of ethane on TiO2-supported noble metals, International journal of hydrogen energy 41 (2016) 13485-13492, 2016
András Sápi,*, Dorina G. Dobó, Dániel Sebők, Gyula Halasi, Koppány L. Juhász, Ákos Szamosvölgyi, Péter Pusztai, Erika Varga, Ildikó Kálomista, Gábor Galbács, Ákos Kukovecz, Zoltán Kónya: Silica-Based Catalyst Supports Are Inert, Are They Not?: Striking Differences in Ethanol Decomposition Reaction Originated from Meso- and Surface-Fine-Structure Evidenced, J. Phys. Chem. C, 2017, 121 (9), pp 5130–5136 DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b00034, 2017
Attila Dékány  · Enikő Lázár  · Bálint Szabó  · Viktor Havasi  · Gyula Halasi  · András Sápi  · Ákos Kukovecz · Zoltán Kónya · Kornél Szőri  · Gábor London: Exploring Pd/Al2O3 Catalysed Redox Isomerisation of Allyl Alcohol as a Platform to Create Structural Diversity, Catal Lett (2017) 147:1834–1843 DOI 10.1007/s10562-017-2087-4, 2017




 

Events of the project

  
2023-08-09 12:29:27
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: Alkalmazott KKT (Szegedi Tudományegyetem), Új kutatóhely: Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék (Szegedi Tudományegyetem).



Back »