Possibile meccanismo proposto per la CO2 elettrochimica RR su (a) Au@Ag NRs e (b,c) AuAgCu NS asimmetrici. Credito:Nano Research
I chimici hanno sviluppato una struttura su nanoscala che combina rame, oro e argento per funzionare come catalizzatore superiore in una reazione chimica le cui prestazioni migliorate saranno essenziali se gli sforzi di cattura e utilizzo del carbonio devono riuscire a mitigare il riscaldamento globale.
Uno studio che descrive il processo è apparso sulla rivista Nano Research il 15 marzo.
Di fronte alla sfida del cambiamento climatico, negli ultimi anni i responsabili politici si sono sempre più concentrati sulla cattura e sull'utilizzo del carbonio (CCU), in cui CO2 viene estratto dall'atmosfera e quindi utilizzato come materia prima per prodotti chimici industriali (come monossido di carbonio, acido formico, etilene ed etanolo) o per la produzione di combustibili sintetici a emissioni zero (particolarmente utili per i settori dei trasporti difficili da elettrificare come il trasporto aereo e marittimo a lungo raggio). Finché quest'ultimo processo è alimentato da elettricità pulita, offre anche un modo per immagazzinare energia rinnovabile a lungo termine, il Santo Graal per superare l'intermittenza di opzioni energetiche come l'energia eolica e solare.
Un possibile mezzo per fare tutto questo è attraverso una reazione chimica chiamata CO2 elettrochimica reazione di riduzione (eCO2 RR, o semplicemente ECR). Questo utilizza l'elettricità per alimentare la conversione del gas in altre sostanze utilizzabili separando CO2 di carbonio dai suoi atomi di ossigeno. L'acqua può anche fornire "donatori" di idrogeno in alcune varietà di ECR per cui gli atomi di carbonio vengono combinati con l'idrogeno per produrre varie specie di idrocarburi o alcoli.
La chiave per l'ECR è usare il catalizzatore giusto, o sostanza chimica la cui struttura e carica gli consentono di dare il via o accelerare una reazione chimica. Vari metalli differenti sono stati usati come catalizzatori a seconda del prodotto finale desiderato. I catalizzatori che impiegano un solo tipo di metallo includono lo stagno per produrre acido formico, argento per monossido di carbonio (CO) e rame per metano, etilene o etanolo.
Tuttavia, le prestazioni del processo possono essere limitate quando l'ECR compete con la tendenza degli atomi di idrogeno all'interno della scissione elettrochimica dell'acqua ad accoppiarsi con se stessi invece di unirsi agli atomi di carbonio. Questa competizione può portare alla produzione (o "selezione") di un prodotto chimico finale diverso da quello desiderato. Di conseguenza, i chimici sono da tempo alla ricerca di catalizzatori con un'elevata "selettività".
Di recente, invece di utilizzare un solo metallo come catalizzatore, i ricercatori si sono rivolti all'uso di eterostrutture che incorporano due materiali distinti le cui proprietà combinate producono risultati diversi o superiori a uno dei singoli materiali da soli.
Alcune delle eterostrutture che sono state testate per l'ECR includono la combinazione di argento e palladio in una formazione ramificata (AgPd "nanodentriti") e varie altre combinazioni di due metalli in forme sandwich, tubolari, piramidali e altre. I ricercatori hanno ottenuto un notevole successo con le eterostrutture bimetalliche che includono il rame, che è molto bravo a convertire CO2 in prodotti che utilizzano due atomi di carbonio. Queste eterostrutture bimetalliche includono argento-rame (AgCu), zinco-rame (ZnCu) e oro-rame (AuCu), con quest'ultimo che gode di un particolare successo di selettività per il metano, C2 e monossido di carbonio.
"Pensavamo che se due metalli avessero prodotto buoni risultati, forse tre metalli sarebbero stati anche migliori", ha affermato Zhicheng Zhang, un nanochimico dell'Università di Tianjin e coautore dello studio.
Quindi i ricercatori hanno costruito una nanostruttura trimetallica che combinava oro, argento e rame ed era di forma asimmetrica. La forma e il rapporto preciso dei tre metalli possono essere modificati tramite un metodo di crescita che prevede più passaggi. In particolare, le "nanopiramidi" d'oro vengono prima sintetizzate e utilizzate come "semi" per la successiva crescita di varie strutture trimetalliche che coinvolgono rapporti diversi dei tre metalli.
Hanno scoperto come risultato della forma unica del loro design eterostruttura e alterando i rapporti di questi tre metalli, potevano regolare attentamente la selettività verso diversi C2 prodotti a base di Produzione di etanolo (C2 H6 O) in particolare è stato massimizzato utilizzando un'eterostruttura con il rapporto di alimentazione che coinvolge un atomo ciascuno di oro e argento combinato con cinque atomi di rame.
Il lavoro definisce una strategia promettente per lo sviluppo di altri nanomateriali trimetallici nell'ambito dello sviluppo dell'ECR. + Esplora ulteriormente
