Riduzione elettrocatalitica dell'anidride carbonica (CO2 ) è considerata una strategia efficace per mitigare la crisi energetica e l'effetto serra. Tra i molteplici prodotti di riduzione, la CO è considerata quella con il valore di mercato più elevato in quanto è una materia prima cruciale per il processo Fischer-Tropsch in grado di sintetizzare idrocarburi a catena lunga di alto valore.
Poiché la reazione di riduzione dell'anidride carbonica (CO2 RR) ha intermedi complessi e molteplici processi di trasferimento di elettroni accoppiati a protoni, il miglioramento dell'attività di reazione e la selettività dei prodotti rimangono due grandi sfide.
I catalizzatori a singolo atomo (SAC) presentano i vantaggi di un elevato utilizzo degli atomi, di una struttura di coordinazione regolabile e di eccellenti prestazioni catalitiche. Inoltre, a causa della speciale struttura elettronica del nichel metallico, è più probabile che perda elettroni per formare orbitali D vuoti e esterni e mostri un'elevata attività e selettività per la CO2 RR per generare CO.
Un team di scienziati ha riassunto i notevoli progressi compiuti dai Ni SAC negli ultimi anni. Il loro lavoro è pubblicato in Chimica industriale e materiali .
"Progettazione di nuovi catalizzatori per migliorare l'attività e la selettività della CO2 L'RR è fondamentale per superare il problema della crisi energetica e dell'inquinamento ambientale", ha affermato Yuhang Li, professore presso l'Università di scienza e tecnologia della Cina orientale, Cina,
"In questa mini-recensione, abbiamo introdotto tre strategie utilizzate per migliorare le prestazioni catalitiche dei SAC al Ni, comprese diverse strutture di supporto, regolazione della struttura di coordinamento e modificazione della superficie. Alla fine, abbiamo anche riassunto le sfide esistenti dei SAC al Ni e fornito una prospettiva sullo sviluppo futuro in questo campo."
Le SAC ridimensionano i siti attivi su scala atomica e quindi ottengono una struttura elettronica straordinaria, potenti interazioni metallo-supporto, atomi metallici a bassa coordinazione e massimo utilizzo degli atomi allo stesso tempo. Da qui l'applicazione delle SAC in CO2 RR potrebbe controllare efficacemente la distribuzione dei prodotti e alleviare il costo della separazione dei prodotti.
"Alcune ricerche basate sulla teoria del campo cristallino hanno indicato che le configurazioni elettroniche dell'orbitale d dei metalli centrali sono significative per la selettività e l'attività della CO2 RR," ha detto Li.
"Nel caso del nichel come atomo metallico centrale, è più probabile che formi l'orbitale d più esterno vacante per facilitare il trasferimento di elettroni tra l'atomo di C di CO2 e l'atomo di Ni. Pertanto la CO2 assorbita le molecole possono essere attivate in modo efficiente. I SAC al Ni possono anche minimizzare il potenziale di reazione della CO2 -Conversione di CO, che è di grande importanza per migliorare la selettività verso la CO."
"I SAC al Ni hanno compiuto continui progressi negli ultimi anni. Da un punto di vista microscopico, le strategie di progettazione includono la scelta di diversi substrati, la regolazione della struttura di coordinazione e la modifica della superficie del catalizzatore. La struttura elettronica del centro attivo è il fattore più cruciale che influenza la catalisi prestazioni", ha detto Li.
Esiste ancora un enorme potenziale per i Ni SAC nei progetti e nelle applicazioni future. La modulazione precisa della microstruttura fornisce più siti attivi e quindi migliora ulteriormente le prestazioni dei Ni SAC. L'ottimizzazione delle celle elettrolitiche e lo sviluppo di più tipi di elettroliti possono espandere la gamma di applicazioni dei Ni SAC e consentirne la commercializzazione su larga scala in futuro.
Inoltre, i ricercatori ritengono che lo sviluppo di più tecniche in-situ per ottenere informazioni più approfondite sulla relazione tra struttura e proprietà del materiale possa fornire una guida preziosa per la progettazione di SAC Ni di valore superiore.
"In questa mini-recensione, il nostro obiettivo principale è fornire ai lettori gli attuali progressi della ricerca sulle SAC di Ni in CO2 RR e per mostrare le nostre intuizioni sulla progettazione e sull'applicazione di catalizzatori a singolo atomo," ha affermato Li.
Il gruppo di ricerca comprende Ziyan Yang, Rongzhen Chen, Ling Zhang, Yuhang Li e Chunzhong Li dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina orientale.
Ulteriori informazioni: Ziyan Yang et al, Recenti progressi nei catalizzatori a singolo atomo di nichel per l'elettroriduzione della CO2 a CO, Chimica industriale e materiali (2024). DOI:10.1039/D3IM00109A
Fornito da Chimica industriale e materiali
