I chimici del NUS hanno scoperto fattori chiave che determinano la selettività dei catalizzatori di rame (Cu) per trasformare l'anidride carbonica (CO2) e l'acqua in sostanze chimiche e combustibili utili.

La riduzione elettrochimica di CO2 mediante elettricità rinnovabile è una tecnologia promettente per il controllo delle emissioni di CO2 e la produzione di sostanze chimiche ad alto valore aggiunto. Fornendo elettroni a un catalizzatore Cu, l'anidride carbonica e le molecole d'acqua che sono attaccate alla sua superficie possono essere trasformate in molecole utili come metano ed etilene. Questo è simile al processo di fotosintesi in cui la CO2 e l'acqua vengono convertite dalle piante in zucchero.

Aumentare la selettività della riduzione di CO2 verso prodotti mirati è una delle sfide chiave che devono essere superate per rendere il processo più sostenibile dal punto di vista industriale. Il lavoro di ricerca precedente per progettare catalizzatori di rame selettivi si è concentrato ampiamente sulla nanostrutturazione e sull'ingegneria dei difetti delle loro superfici. In questo lavoro, il team di ricerca guidato dal Prof YEO Boon Siang, Jason del Dipartimento di Chimica, NUS ha scoperto che il potenziale applicato (tensione elettrica) e l'ampiezza della corrente, che sono stati ampiamente trascurati, sono fattori chiave che determinano la selettività dei catalizzatori Cu nelle reazioni di elettroriduzione della CO2. La corrente prodotta ad una particolare tensione elettrica dipende anche in gran parte dalla rugosità dei catalizzatori Cu. Regolando la tensione applicata e la rugosità superficiale di un catalizzatore Cu, CO2 e acqua possono essere realizzati per favorire la produzione di uno specifico composto a base di carbonio durante il processo di riduzione elettrochimica.

I risultati del team possono consentire lo sviluppo di catalizzatori più selettivi per trasformare la CO2 in sostanze chimiche e combustibili utili. Per esempio, regolando il fattore di rugosità superficiale di un campione di Cu su 1,4 e la tensione applicata su -1,2 V rispetto all'elettrodo a idrogeno reversibile (un elettrodo di riferimento), la selettività della riduzione della CO2 a metano può essere aumentata significativamente fino a superare il 60% (vedi figura). Questo catalizzatore è tra i catalizzatori più selettivi nella comunità scientifica per la formazione di metano. Sono state inoltre analizzate le prestazioni di oltre 20 catalizzatori a base di Cu precedentemente segnalati, e hanno dimostrato di corroborare i risultati della squadra.

Il professor Yeo ha detto, "Abbiamo scoperto che i catalizzatori Cu derivano da vari precursori, possono essere simili in termini di composizione chimica. Però, le loro prestazioni catalitiche potrebbero essere molto diverse. Spiegazioni come la presenza di passaggi, spigoli e difetti sui catalizzatori sono tipicamente invocati per spiegare questi fenomeni. Il nostro team ha scoperto che il potenziale applicato e il trasporto di massa di CO2, che risentono delle correnti, sono anche parametri critici che influenzano la selettività dei catalizzatori Cu, e non può essere ignorato».