La sintesi di sostanze chimiche a base di carbonio tramite la riduzione elettrochimica del biossido di carbonio (CO2 ) è diventato l'obiettivo chiave di numerosi recenti sforzi di ricerca energetica. Sebbene questi studi abbiano prodotto risultati promettenti, consentendo la produzione di varie sostanze chimiche ampiamente utilizzate, la maggior parte degli approcci proposti mostra scarsa efficienza energetica e selettività.
Metodi proposti per la riduzione elettrochimica della CO2 nell’idrocarburo etilene, ad esempio, non hanno finora raggiunto l’efficienza energetica e la stabilità desiderabili. Ciò ha impedito il loro diffuso impiego come alternative agli approcci petrolchimici convenzionali per la produzione di etilene, che hanno effetti negativi sull'ambiente.
I ricercatori dell'Università di Montpellier e di altri istituti hanno recentemente deciso di facilitare la sintesi selettiva ed efficiente dal punto di vista energetico dell'etilene attraverso la riduzione della CO2 funzionalizzando catalizzatori che inducono reazioni di riduzione. Il loro articolo, pubblicato su Nature Energy , introduce una strategia per funzionalizzare catalizzatori di rame (Cu) per CO2 riduzione mediante sali di aril diazonio, sostanze incolori attualmente impiegate per sintetizzare vari composti organici.
"Sebbene siano stati compiuti progressi nella produzione di prodotti multicarbonio dalla riduzione elettrochimica della CO2 , la modesta selettività per l'etilene (C2 H4 ) porta a una bassa efficienza energetica e ad alti costi di separazione a valle," hanno scritto Huali Wu, Lingqi Huang e i loro colleghi nel loro articolo. "Funzionalizziamo catalizzatori di Cu con una varietà di sali di aril diazonio sostituiti per migliorare la selettività verso prodotti multi-carbonio." /P>
Nei loro calcoli ed esperimenti, Wu, Huang e i loro collaboratori hanno scoperto che diversi sali di arildiazonio potrebbero aiutare a personalizzare lo stato di ossidazione del Cu. Utilizzando questi sali, sono stati così in grado di funzionalizzare i catalizzatori in una cella MEA (membrane elettrode assembly), il componente principale delle celle a combustibile che facilita le reazioni elettrochimiche desiderate, comprese le reazioni alla base della riduzione di CO2 .
I ricercatori hanno testato le prestazioni di questa cella a flusso MEA con siti Cu personalizzati in una serie di esperimenti. Hanno scoperto che la loro strategia di funzionalizzazione migliorava l’efficienza energetica e la stabilità della CO2 riduzione per produrre etilene.
"Utilizzando il calcolo e la spettroscopia operando, troviamo che lo stato di ossidazione della superficie del Cu (δ + dove 0 <� δ <� 1) può essere sintonizzato mediante funzionalizzazione e che influenza la selettività a C2 H4 ," hanno scritto i ricercatori.
"Riportiamo un'efficienza faradaica e una densità di corrente specifica per C2 H4 grande fino a 83 ± 2% e 212 mA cm −2 , rispettivamente, su Cu 0,26+ parzialmente ossidato . Utilizzando un'alimentazione di gas CO, dimostriamo un'efficienza energetica di ~40% con un C2 H4 Efficienza faradaica di 86 ± 2%, corrispondente a un basso consumo di energia elettrica di 25,6 kWh Nm −3 per il CO a C2 H4 reazione di conversione."
Il recente studio di questo team di ricercatori introduce una nuova promettente strategia per consentire l'elettrosintesi stabile ed efficiente dal punto di vista energetico dell'etilene dalla CO2 , sfruttando l’ingegneria della valenza del rame. Questa strategia potrebbe presto essere perfezionata e ulteriormente convalidata, contribuendo potenzialmente al futuro passaggio verso metodi più sostenibili per produrre etilene su larga scala.
Ulteriori informazioni: Huali Wu et al, Elettrosintesi selettiva ed efficiente dal punto di vista energetico dell'etilene dalla CO2 regolando la valenza dei catalizzatori di Cu attraverso la funzionalizzazione dell'aril diazonio, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01461-6.
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