Met nikkel beladen zwart goud zet CO2 om in chemicaliën met behulp van zonne-energie en groene waterstof

CO₂ hydrogenering met groene waterstof is een van de beste processen om klimaatverandering tegen te gaan en kan één oplossing bieden voor drie uitdagende problemen: 1) overmatige CO₂ niveaus, 2) de tijdelijke mismatch tussen productie en vraag van zonne-elektriciteit, en 3) opslag van waterstofgas. Echter, de K.O₂ hydrogeneringsreactie heeft zeer hoge temperaturen nodig, waardoor de katalysator snel wordt gedeactiveerd.

In nieuw werk gepubliceerd in ACS Nanoonderzoekers van Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai, stelden de vraag of deze hoge temperatuur CO₂ hydrogenering kan worden gekatalyseerd bij kamertemperatuur tot matige temperatuur via plasmonische excitatie van H₂ en co₂ met behulp van plasmonische katalysator. Ze hebben aangetoond dat plasmonisch zwart goud-nikkel efficiënt CO katalyseert₂ hydrogenering met zichtbaar licht.

De reactie vond plaats bij temperaturen tussen 84 en 223°C zonder externe verwarming. Onderzoekers vonden een veelvoudige toename van de katalytische activiteit in vergelijking met DPC-C4 in die mate dat meetbare fotoactiviteit alleen werd waargenomen met DPC-C4-Ni. Het toonde de best gerapporteerde CO-productiesnelheid van 2464 ± 40 mmol g_Ni^-1 H^-1 en selectiviteit groter dan 95% in de stromingsomstandigheden. De katalysator vertoonde een buitengewone stabiliteit (100 uur).

Superlineaire afhankelijkheid van de machtswet van de lichtintensiteit (machtswet exponent van 5,6) met fotokatalytische kwantumefficiënties nam toe met een stijging van de lichtintensiteit en reactietemperatuur, terwijl het kinetische isotoopeffect (KIE) in licht (1,91) hoger was dan in de donker, bevestigde het door hete elektronen gemedieerde reactiemechanisme. Ultrasnelle studies van hot-carrier-dynamiek bewezen de supersnelle elektroneninjectie van Au naar Ni, waardoor de Ni-reactor werd gevuld met ladingsdragers. Onderzoekers observeerden een spectrale signatuur van een dergelijke indirecte ladingsgeneratie als gevolg van hete elektronenoverdracht van het goud naar het nikkel. Eindige-verschil tijd-domein simulaties toonden ook plasmon-geïnduceerde hoge lokale veldintensiteitsverbetering in DPC-C4-Ni.

Een in-situ DRIFTS-onderzoek toonde C=O-strektrillingen van lineair gebonden CO bovenop het Ni-atoom aan, terwijl de vorming van brugcarbonylverbindingen werd belemmerd. CO₂ hydrogenering vond plaats door directe dissociatieroute via lineair gebonden nikkel-CO. De lineair gebonden CO op Ni-plaatsen van DPC-C4-Ni waren zwak gebonden vanwege de zwakke Ni-C-binding. Daarom was de CO-desorptie efficiënt, waardoor de hydrogenering tot methaan werd beperkt, wat leidde tot meer dan 95% CO-selectiviteit.

De hoge productiesnelheid en selectiviteit waren te danken aan het feit dat Ni-NP’s sterk verspreid waren op zwart goud, wat een zwak gebonden CO2-route opleverde, naast het uitstekende lichtoogstvermogen van zwart goud. Vanwege de excitatie van elektronen in de d-band van nikkel tot een hoger energieniveau tijdens plasmonische demping van SPR van zwart goud, evenals het vullen van de d-band van Ni als gevolg van overdracht van hete elektronen van zwart goud naar Ni, vertoonden Ni-sites uitstekende activiteit zelfs bij kleinere deeltjesgrootte.

De uitstekende katalytische prestaties van zwart goud-Ni kunnen een manier zijn om plasmonische katalysatoren voor CO te ontwikkelen₂ reductie en andere katalytische processen met behulp van zwart goud.