Versnellen van chemische reductie van koolstofdioxide met ultradunne lagen tindisulfide

Dat melden onderzoekers van Kanazawa University ACS Nano hoe ultradunne lagen tindisulfide kunnen worden gebruikt om de chemische reductie van koolstofdioxide te versnellen – een bevinding die zeer relevant is voor onze zoektocht naar een koolstofneutrale samenleving.

Recycling van kooldioxide (CO₂) vrijkomt door industriële processen is een must in de dringende zoektocht van de mensheid naar een duurzame, koolstofneutrale samenleving. Voor dit doel zijn elektrokatalysatoren die CO efficiënt kunnen omzetten₂ in andere, minder impactvolle chemische producten wordt tegenwoordig uitgebreid onderzocht. Een categorie materialen die bekend staat als tweedimensionale (2D) metaaldichalcogeniden, zijn kandidaat-elektrokatalysatoren voor CO₂ conversie, maar deze materialen vergemakkelijken doorgaans ook concurrerende reacties, wat hun efficiëntie in gevaar brengt.

Yasufumi Takahashi van Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI), Kanazawa University en collega’s hebben nu een 2D-metaaldichalcogenide geïdentificeerd dat CO efficiënt kan verminderen₂ tot mierenzuur, een verbinding die niet alleen van nature voorkomt, maar ook een tussenproduct is bij chemische synthese.

Takahashi en collega’s vergeleken de katalytische prestaties van 2D-vellen van disulfide (MoS₂) en tindisulfide (SnS₂). Beide zijn 2D-metaaldichalcogeniden, waarbij de laatste van bijzonder belang is omdat puur tin een bekende katalysator is voor de productie van mierenzuur. Elektrochemische tests van deze verbindingen onthulden dat met MoS₂in plaats van CO₂ conversie, waterstofevolutiereactie (HER) werd gepromoot. HER verwijst naar een reactie die waterstof oplevert, wat nuttig kan zijn wanneer de productie van waterstofgas als brandstof bedoeld is, maar in de context van CO₂ vermindering is het een ongewenst concurrerend proces. SnS₂aan de andere kant, toonde goede CO₂ vermindering activiteit en onderdrukte HER. De onderzoekers voerden ook elektrochemische metingen uit voor bulk-SnS₂ poeder, dat minder katalytisch CO bleek te bevatten₂ reductie activiteit.

Om te begrijpen waar de katalytisch actieve sites zich in SnS bevinden₂, en waarom het 2D-materiaal beter presteert dan de bulkverbinding, pasten de wetenschappers een methode toe die scanning electrochemical cell microscopy (SECCM) wordt genoemd. SECCM wordt gebruikt als een nanopipet om de elektrochemische cel in de vorm van een meniscus op nanoschaal te vormen voor de sonde voor oppervlaktereactiviteit op het monster. Uit de metingen bleek dat het hele oppervlak van de SnS₂ blad is katalytisch actief, niet alleen “terras” of “rand” kenmerken in de structuur. Dit verklaart ook waarom 2D SnS₂ heeft verbeterde activiteit in vergelijking met bulk SnS₂.

Berekeningen gaven meer inzicht in de chemische reacties die spelen. In het bijzonder werd de vorming van mierenzuur bevestigd als een energetisch gunstige reactieroute voor het gebruik van 2D SnS₂ als katalysator.

De resultaten van Takahashi en collega’s betekenen een belangrijke stap voorwaarts in de richting van het gebruik van 2D-elektrokatalysatoren in elektrochemische CO₂ reductie toepassingen. Ze stellen: “Deze bevindingen zullen een beter begrip en ontwerpstrategieën bieden voor op metaaldichalcogenide gebaseerde 2D-elektrokatalyse voor elektrochemische CO₂ reductie om koolwaterstoffen, alcoholen, vetzuren en olefinen zonder bijproducten te produceren.”

Achtergrond: tweedimensionale metaaldichalcogeniden

Tweedimensionale (2D) metalen dichalcogenideplaten (of monolagen) zijn materialen van het type MX₂, met M een metaalatoom zoals molybdeen (Mo) of tin (Sn) en X een chalcogeenatoom zoals zwavel (S). De structuur kan worden weergegeven als een laag van X-atomen bovenop een laag van M-atomen weer bovenop een laag van X-atomen. 2D-metaaldichalcogeniden behoren tot de zogenaamde klasse van 2D-materialen (waaronder ook grafeen), een verwijzing naar hun extreme dunheid. 2D-materialen hebben doorgaans andere fysieke eigenschappen dan hun tegenhangers in bulk (3D).

2D-metaaldichalcogeniden zijn bestudeerd vanwege hun elektrokatalytische activiteit met waterstofevolutiereactie (HER), een chemisch proces dat waterstof oplevert. Maar nu hebben Yasufumi Takahashi van Kanazawa University en collega’s ontdekt dat het 2D-metaaldichalcogenide SnS₂ vertoont geen HER-katalytische activiteit; in plaats daarvan is het een katalysator voor de elektrochemische reductie van koolstofdioxide (CO₂) tot mierenzuur – een uiterst relevante eigenschap in de context van strategieën voor het verminderen van de wereldwijde CO₂ voetafdruk.