Onderzoekers onthullen multi-path-mechanisme in elektrochemische CO2-reductie

Een onderzoeksgroep onder leiding van prof. Xiao Jianping van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academy of Sciences (CAS) en hun medewerkers hebben een Pb-gelegeerde Cu-katalysator met één atoom (Pb₁Cu), die een hoge activiteit vertoonde voor de elektrochemische CO₂ reductiereactie (CO₂RR) met een selectiviteit van 96% tot formaat en een stabiliteit tot 180 uur bij 100 mA cm^-2.

Deze studie is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 16 september.

De onderzoekers rapporteerden multi-path voor CO₂ reductie tot formiaat, namelijk de reactiepaden via COOH*- en HCOO*-tussenproducten. Het reactiefasediagram is gebouwd op basis van de “energy global optimization”-benadering, die de activiteitstrend voor CO . beschrijft₂RR te formatteren. Een activiteitstrend met dubbele piek werd verkregen dankzij de overweging van multi-path.

Ze ontdekten dat Cu de voorkeur gaf aan het COOH*-pad, wat resulteerde in de productie van koolwaterstoffen en oxygenaten, die een beperkte selectiviteit en activiteit vertonen voor een specifiek product. Echter, Pb₁Cu gaf de voorkeur aan het HCOO*-pad. De optimale HCOO* bindingsenergie in Pb₁Cu onthulde ofwel hoge activiteit of selectiviteit om te formatteren via CO₂RR. De overeenkomst tussen experimentele en theoretische activiteitstrend bevestigt de betrouwbaarheid van het multi-path-mechanisme.

De Cu-site op de Pb₁Cu-stapoppervlak, in plaats van de Pb-site met één atoom, vertoonde de hoogste CO₂RR-activiteit in de richting van exclusieve formaatproductie. Het vrije-energiediagram met de berekende elektrochemische barrières bevestigt ook de formaatselectiviteit.

“De ‘dubbele piek’ beschrijft een nauwkeuriger activiteitstrend voor CO₂RR, wat een belangrijk inzicht geeft in het ontwerp van katalysatoren”, zegt prof. Xiao.