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Conversione elettrochimica dell'anidride carbonica (CO 2 ) in combustibili e materie prime a valore aggiunto, idealmente se alimentato da elettricità rinnovabile, fornisce un percorso per ridurre le emissioni di gas serra e contemporaneamente chiudere il ciclo del carbonio. Attualmente, la progettazione razionale e la sintesi controllabile di catalizzatori più efficienti, combinato con la comprensione del meccanismo catalitico, al fine di ottenere l'applicazione industriale di CO 2 la tecnologia di riduzione elettrica è diventata il fulcro e la difficoltà della ricerca.
Recentemente, un team guidato dal Prof. YU Shuhong e dal Prof. GAO Minrui della University of Science and Technology of China (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) ha sviluppato una strategia di riscaldamento a microonde per sintetizzare una nanostruttura di calcogenuro di metallo di transizione che catalizza in modo efficiente la CO 2 elettroriduzione a monossido di carbonio (CO). Questi risultati sono stati pubblicati in Angewandte Chemie e il Giornale della Società Chimica Americana .
Una sfida considerevole nella conversione della CO 2 in combustibili utili deriva dall'attivazione della CO 2 a CO 2 - o altri intermedi, che spesso richiede preziosi catalizzatori metallici, alti sovrapotenziali, e/o gli additivi elettrolitici (ad es. liquidi ionici).
In questo studio, i ricercatori hanno riportato una strategia di riscaldamento a microonde per sintetizzare una nanostruttura di calcogenuri di metallo di transizione che catalizza in modo efficiente la CO 2 elettroriduzione a CO. Hanno raggiunto un record di CO 2 -to-CO corrente di conversione di 212 mA cm -2 con una selettività di ~ 95,5% e un potenziale di -1,2 V rispetto a un elettrodo a idrogeno reversibile (RHE) in una configurazione di cella di flusso utilizzando le matrici di nanoaghi di solfuro di cadmio (CdS) come elettrocatalizzatori.
Studi sperimentali e computazionali hanno dimostrato che il catalizzatore nanostrutturato CdS ad alta curvatura con un pronunciato effetto di prossimità dà luogo a un ampio potenziamento del campo elettrico, che può concentrare cationi di metalli alcalini e quindi si traduce in un aumento della CO 2 efficienza di elettroriduzione.
Oltre a utilizzare l'"effetto vicino al vicino" della punta multi-ago nano per ottenere l'arricchimento degli ioni target, Il gruppo del Prof. GAO Minrui e il team dell'accademico YU Shuhong hanno inoltre proposto di utilizzare l'"effetto ad area confinata" della nanocavità per arricchire gli intermedi di reazione e realizzare la conversione ad alta efficienza da CO 2 ai combustibili multicarbonio.
I risultati hanno introdotto un semplice percorso di confinamento per la nuova CO 2 reazione di riduzione (CO 2 RR) progettazione del catalizzatore. Il confinamento spaziale degli intermedi di carbonio generati in situ all'interno delle cavità Cu2O è risultato essere sufficiente per prevenire la riduzione del Cu+ sotto CO 2 RR e per stabilizzare lo stato di ossidazione del Cu.
Hanno dimostrato sperimentalmente che il Cu . come progettato 2 O con multi-cavità produce C 2 + composti con un'efficienza faradaica superiore al 75% e un C 2 + densità di corrente parziale di 267 ± 13 mA cm -2 . Tale notevole C 2 + la produzione consentita dal catalizzatore dimostrato qui ha suggerito un modo di strutturare il materiale per aumentare la CO 2 Attività RR e selettività per combustibili a valore aggiunto a base di carbonio alimentati da energia rinnovabile.
La ricerca mostra che la progettazione della nanostruttura del catalizzatore nella CO 2 reazione di elettroriduzione ha un impatto importante sulle prestazioni catalitiche. L'"effetto di arricchimento" su scala nanometrica può migliorare efficacemente l'assorbimento di intermedi chiave, favorendo così l'efficiente funzionamento della reazione. Questo nuovo concetto di design fornisce nuove idee per la progettazione di elettrocatalizzatori correlati e la sintesi di combustibili a base di carbonio ad alto valore aggiunto in futuro.
