Visualizzazione di un passaggio da un'economia che inquina l'aria basata sui combustibili fossili a un'economia pulita basata sulle energie rinnovabili, che è facilitata dalla conversione elettrocatalitica di abbondante CO 2 a combustibili e altre sostanze chimiche utili. Il collo di bottiglia di questa reazione è l'attivazione di una CO . lineare 2 molecola a carbossilato adsorbito CO 2 ? con una geometria simile a una sedia. Credito:Irina Chernyshova &Sathish Ponnurangam/Columbia Engineering
Utilizzando la spettroscopia Raman potenziata dalla superficie, Gli ingegneri della Columbia sono i primi a osservare come la CO 2 è attivato all'interfaccia elettrodo-elettrolita; la loro scoperta sposta la progettazione del catalizzatore dal paradigma per tentativi ed errori a un approccio razionale e potrebbe portare a soluzioni alternative, più economico, e stoccaggio di energia rinnovabile più sicuro
New York, NY—17 settembre 2018—Gli scienziati hanno a lungo cercato modi per convertire abbondante CO 2 a prodotti utili come prodotti chimici e carburante. Già nel 1869, sono stati in grado di convertire elettrocataliticamente la CO 2 all'acido formico. Negli ultimi due decenni, l'aumento della CO 2 nell'atmosfera terrestre ha notevolmente accelerato la ricerca sulla CO 2 conversione utilizzando risorse energetiche rinnovabili, compreso solare, vento, e marea. Perché queste risorse sono intermittenti:il sole non splende tutti i giorni, né il vento soffia costantemente:come immagazzinare l'energia rinnovabile in modo sicuro ed economico è una sfida importante.
Recenti ricerche sulla CO . elettrocatalitica 2 la conversione indica la strada per l'utilizzo di CO 2 come materia prima ed elettricità rinnovabile come fonte di energia per la sintesi di diversi tipi di combustibili e sostanze chimiche a valore aggiunto come l'etilene, etanolo, e propano. Ma gli scienziati ancora non capiscono nemmeno il primo passo di queste reazioni:CO 2 Attivazione, o la trasformazione della CO . lineare 2 molecola sulla superficie del catalizzatore dopo aver accettato il primo elettrone. Conoscere l'esatta struttura della CO . attivata 2 è essenziale perché la sua struttura determina sia il prodotto finale della reazione che il suo costo energetico. Questa reazione può iniziare da molti passaggi iniziali e passare attraverso molti percorsi, dando tipicamente una miscela di prodotti. Se gli scienziati scoprissero come funziona il processo, saranno maggiormente in grado di promuovere o inibire selettivamente determinati percorsi, che porterà allo sviluppo di un catalizzatore commercialmente valido per questa tecnologia.
I ricercatori della Columbia Engineering hanno annunciato oggi di aver risolto il primo pezzo del puzzle:hanno dimostrato che la CO 2 l'elettroriduzione inizia con un intermedio comune, non due come si pensava comunemente. Hanno applicato una suite completa di metodi sperimentali e teorici per identificare la struttura del primo intermedio di CO 2 elettroriduzione:carbossilato CO 2 -che è attaccato alla superficie con atomi di C e O. La loro svolta, pubblicato online oggi in PNAS , è arrivato applicando lo scattering Raman con superficie potenziata (SERS) invece della più frequente spettroscopia infrarossa potenziata con superficie (SEIRAS). I risultati spettroscopici sono stati confermati dalla modellazione chimica quantistica.
"Le nostre scoperte sulla CO 2 l'attivazione aprirà le porte a una gamma incredibilmente ampia di possibilità:se possiamo comprendere appieno la CO 2 elettroriduzione, saremo in grado di ridurre la nostra dipendenza dai combustibili fossili, contribuire alla mitigazione dei cambiamenti climatici, ", afferma l'autrice principale del giornale Irina Chernyshova, ricercatore associato, dipartimento di ingegneria della terra e dell'ambiente. "Inoltre, la nostra visione della CO 2 l'attivazione all'interfaccia solido-acqua consentirà ai ricercatori di modellare meglio gli scenari prebiotici da CO 2 a complesse molecole organiche che potrebbero aver portato all'origine della vita sul nostro pianeta".
Hanno deciso di utilizzare SERS anziché SEIRAS per le loro osservazioni perché hanno scoperto che SERS ha diversi vantaggi significativi che consentono un'identificazione più accurata della struttura dell'intermedio di reazione. Più importante, i ricercatori sono stati in grado di misurare gli spettri vibrazionali delle specie formate all'interfaccia elettrodo-elettrolita lungo l'intera gamma spettrale e su un elettrodo operativo (in operandi). Utilizzando sia simulazioni chimiche quantistiche che metodi elettrochimici convenzionali, i ricercatori sono stati in grado di ottenere il primo sguardo dettagliato su come la CO 2 viene attivato all'interfaccia elettrodo-elettrolita.
Comprendere la natura del primo intermedio di reazione è un passo fondamentale verso la commercializzazione della CO . elettrocatalitica 2 conversione in sostanze chimiche utili. Crea una solida base per passare dal paradigma per tentativi ed errori alla progettazione razionale del catalizzatore. "Con questa conoscenza e potenza di calcolo, " dice il coautore del giornale Sathish Ponnurangam, un ex studente laureato e postdoc nel laboratorio di Somasundaran che ora è assistente professore di ingegneria chimica e petrolifera presso l'Università di Calgary, Canada, "i ricercatori saranno in grado di prevedere con maggiore precisione la reazione su diversi catalizzatori e specificare quelli più promettenti, che può essere ulteriormente sintetizzato e testato."
"Gli esperimenti della Columbia Engineering forniscono tali dettagli che dovremmo essere in grado di ottenere una convalida molto definitiva dei modelli computazionali, "dice William Goddard, Charles e Mary Ferkel Professore di Chimica, Scienza dei materiali, e fisica applicata al CalTech, che non era coinvolto nello studio. "Mi aspetto che, insieme alla nostra teoria, gli esperimenti della Columbia Engineering forniranno precisi meccanismi da stabilire e che esaminando come cambiano i meccanismi per le diverse leghe, strutture di superficie, elettroliti, additivi, dovrebbe consentire l'ottimizzazione degli elettrocatalizzatori per gli sputi d'acqua (combustibili solari), CO 2 riduzione a combustibili e materie prime organiche, riduzione da N2 a NH3 per ottenere fertilizzanti molto meno costosi, tutti i problemi chiave che la società deve affrontare per ottenere l'energia e il cibo per accogliere la nostra popolazione che esplode".
L'elettrocatalisi e la fotocatalisi (la cosiddetta fotosintesi artificiale) sono tra i modi più promettenti per ottenere uno stoccaggio efficace per l'energia rinnovabile. CO 2 l'elettroriduzione cattura l'immaginazione dei ricercatori da oltre 150 anni a causa della sua somiglianza con la fotosintesi. Proprio come una pianta converte la luce solare in energia chimica, un catalizzatore converte gli elettroni forniti dall'energia rinnovabile in energia chimica che viene immagazzinata in prodotti ridotti di CO 2 . Oltre alla sua applicazione per le energie rinnovabili, la tecnologia dell'elettrocatalisi può anche consentire missioni e colonie su Marte con equipaggio fornendo carburante per il viaggio di ritorno e sostanze chimiche carboniose dal CO 2 che costituisce il 95% dell'atmosfera di quel pianeta.
"Ci aspettiamo che i nostri risultati e la nostra metodologia stimoleranno il lavoro su come far andare più velocemente e a un costo energetico inferiore non solo la CO elettrocatalitica ma anche fotocatalitica 2 riduzione, "dice Ponisseril Somasundaran, LaVon Duddleson Krumb Professore di Ingegneria Minerale, Dipartimento di Ingegneria della Terra e dell'Ambiente. "Nel secondo caso, un catalizzatore riduce la CO 2 utilizzando la luce solare diretta. Anche se questi due approcci sono sperimentalmente diversi, sono microscopicamente simili:entrambi iniziano con l'attivazione della CO 2 per trasferimento di elettroni da una superficie catalitica. A questo punto, Credo che entrambi questi approcci domineranno il futuro".
Il team sta ora lavorando per scoprire le successive fasi di reazione, per vedere come la CO 2 viene ulteriormente trasformato e per sviluppare catalizzatori superiori basati su elementi abbondanti in terra come Cu (rame) e Sn (stagno).
Lo studio è intitolato "Sull'origine dell'inafferrabile primo intermedio dell'elettroriduzione della CO2".
