Tin Catalyst Discovery op nanoschaal maakt een weg voor duurzame co₂ -conversie

Onderzoekers hebben een duurzame katalysator ontwikkeld die zijn activiteit tijdens het gebruik verhoogt en tegelijkertijd koolstofdioxide omzet (CO₂) in waardevolle producten. Deze ontdekking biedt een blauwdruk voor het ontwerpen van elektrokatalysatoren van de volgende generatie.

Een samenwerkingsteam van de University of Nottingham’s School of Chemistry en de University of Birmingham hebben een katalysator ontwikkeld gemaakt van tin -microdeeltjes ondersteund door een koolstofstructuur met nanotextitem. De interacties tussen de tinnendeeltjes en gefreikte koolstofnanovezels spelen een cruciale rol bij het overbrengen van elektronen van de koolstofelektrode naar CO₂ moleculen – een essentiële stap in het converteren van CO₂ in formate onder een toegepast elektrisch potentieel.

De bevindingen van dit onderzoek worden gepubliceerd in ACS Applied Energy Materials.

CO₂ levert de belangrijkste bijdrage aan de opwarming van de aarde. Terwijl CO₂ Kan worden omgezet in nuttige producten, traditionele thermische methoden zijn meestal afhankelijk van waterstof afkomstig van fossiele brandstoffen. Daarom is het essentieel om alternatieve methoden zoals elektrokatalyse te ontwikkelen, die duurzame energiebronnen gebruiken, zoals fotovoltaïsche en windenergie, evenals de overvloedige beschikbaarheid van water als waterstofbron.

In elektrocatalyse drijft het toepassen van een elektrisch potentieel op de katalysator elektronen door het materiaal om met CO te reageren₂en water, het produceren van waardevolle verbindingen. Een dergelijk product, formaat, wordt veel gebruikt in de chemische synthese van polymeren, farmaceutische producten, lijmen en meer. Voor optimale efficiëntie moet dit proces werken met een laag potentieel met behoud van hoge stroomdichtheid en selectiviteit, waardoor effectief gebruik van elektronen wordt gewaarborgd om CO te converteren₂ tot gewenste producten.

Dr. Madasamy Thangamuthu, een onderzoeker aan de Universiteit van Nottingham, leidde het onderzoeksteam, zei: “Een succesvolle elektrocatalysator moet sterk binden aan de CO₂ Molecuul en injecteer elektronen efficiënt om zijn chemische bindingen te verbreken. We hebben een nieuw type koolstofelektrode ontwikkeld dat grafitiseerde nanovezels bevat met een textuur op nanoschaal, met gebogen oppervlakken en stapranden, om de interactie met tindeeltjes te verbeteren. “

Tom Burwell, een onderzoeksassistent aan de Universiteit van Nottingham, ondernam het werk tijdens het studeren aan Center for Doctorial Training in Sustainable Chemistry. Hij ontwikkelde de aanpak en voerde het experimentele werk uit, zei hij: “We kunnen de prestaties van de katalysator beoordelen door de elektrische stroom te meten die wordt geconsumeerd door de Reacting Co₂ moleculen. Meestal degraderen katalysatoren tijdens het gebruik af, wat resulteert in verminderde activiteit.

“Verrassend genoeg zagen we de stroom die door tin stroomde op koolstof met nanotextureerde continu toeneemt gedurende 48 uur. Analyse van de reactieproducten bevestigde dat bijna alle elektronen werden gebruikt om CO te verminderen₂ Om te formuleren, de productiviteit stimuleren met een factor 3,6 met behoud van bijna 100% selectiviteit. “

De onderzoekers hebben deze zelfoptimalisatie gekoppeld aan de TIN-microdeeltjes die afbreekden in nanodeeltjes, zo klein als 3 nm, tijdens de CO₂ reductiereactie. Tom Burwell legde uit: “Met behulp van elektronenmicroscopie vonden we dat kleinere tindeeltjes beter contact bereikten met de nanotextureerde koolstof van de elektrode, het verbeteren van het elektronentransport en het verhogen van het aantal actieve tincentra bijna tienvoudig.”

Dit transformerende gedrag verschilt aanzienlijk van eerdere studies, waarbij structurele veranderingen in katalysatoren vaak als schadelijk worden beschouwd. In plaats daarvan maakt de zorgvuldig ontworpen ondersteuning in de katalysator die door het Nottingham -team is ontwikkeld, dynamische aanpassing van TIN en verbeterde prestaties mogelijk.

Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, zei: “CO₂ is niet alleen een bekend broeikasgas, maar ook een waardevolle grondstof voor de productie van chemicaliën. Bijgevolg is het ontwerpen van nieuwe katalysatoren van aarde-overvloedige materialen zoals koolstof en tin van vitaal belang voor duurzame CO₂ Conversie en het bereiken van het Britse netto-emissiedoelstelling. Onze katalysatoren moeten ook actief blijven bij uitgebreid gebruik om de beste waarde te garanderen. “

Deze ontdekking markeert een stapverandering bij het begrijpen van het ontwerp van ondersteuning voor elektrocatalyse. Door precies de interactie tussen de katalysatoren en hun steunen op het nanoschaal te beheersen, heeft het team de basis gelegd voor zeer selectieve en stabiele katalysatoren om CO te converteren₂ in waardevolle producten.