L’elettrocatalisi svolge un ruolo fondamentale nello sviluppo di energia pulita, rimozione dei gas serra e tecnologie di stoccaggio dell’energia. Uno studio condotto congiuntamente da ricercatori della City University di Hong Kong (CityU) ha scoperto che i nanotubi di carbonio a parete singola sono substrati eccellenti per migliorare la conversione dei gas serra attraverso la curvatura molecolare.
Utilizzando questi nanotubi come supporto per indurre tensione su un elettrocatalizzatore, l'efficienza della riduzione dell'anidride carbonica in metanolo può essere notevolmente migliorata.
Questa innovazione apre strade per lo sviluppo di elettrocatalizzatori molecolari curvi per convertire in modo efficiente l'anidride carbonica (CO2 ), uno dei principali gas a effetto serra, trasformandolo in sostanze chimiche e combustibili utili, riducendo così le emissioni di carbonio. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Nature Catalysis .
Molti complessi molecolari, come la ftalocianina di cobalto (CoPc), sono catalizzatori efficienti per la CO2 reazione di riduzione (CO2 RR). Tuttavia riducono soprattutto la CO2 al velenoso monossido di carbonio (CO), senza generare ulteriormente una quantità sostanziale di prodotti utili, come il metanolo. "Pertanto, vogliamo esplorare il potenziale del CoPc oltre la produzione di CO", ha affermato il professor Ye Ruquan, del Dipartimento di Chimica della City University di Hong Kong (CityU), che ha guidato la ricerca.
Allo stesso tempo, è noto che la deformazione influisce sulle proprietà dei materiali bidimensionali, che spesso sono su scala nanometrica (nm). "L'uso di substrati curvi, o supporti, per indurre deformazione locale è ben consolidato per modulare le proprietà dei materiali stratificati convenzionali", ha spiegato il professor Ye.
"Ma il controllo razionale della deformazione delle molecole planari è impegnativo a causa delle loro dimensioni ultra-piccole. E il modo in cui la deformazione influisce sulle proprietà molecolari rimane poco compreso."
Insieme ai suoi collaboratori, il professor Ye ha guidato un gruppo di ricerca per studiare la reattività dei catalizzatori molecolari CoPc su scala nanometrica adottando l'ingegneria della deformazione indotta dal supporto. Hanno introdotto con successo la deformazione controllata nelle molecole inferiori a 2 nm del catalizzatore utilizzando nanotubi di carbonio a parete singola come supporto.
La curvatura dei nanotubi dovuta alle interazioni molecolari induce tensione sulle molecole catalitiche, con conseguente flessione. L'utilizzo di substrati di nanotubi di carbonio con diametri diversi consente loro di regolare l'angolo di piegatura delle molecole CoPc che va da 96° (per nanotubi di carbonio da 1 nm di diametro) a 1,5° (per nanotubi di carbonio da 100 nm di diametro).
Rispetto alle tradizionali molecole planari, le molecole curve hanno mostrato prestazioni elettrocatalitiche migliorate. Hanno mostrato una maggiore selettività per la CO2 riduzione, favorendo la produzione di metanolo rispetto al monossido di carbonio.
In un elettrolizzatore a flusso tandem con CoPc monodisperso su nanotubi di carbonio a parete singola per CO2 riduzione, il team ha raggiunto una densità di corrente parziale del metanolo superiore a 90 mA cm −2 con una selettività superiore al 60%, il che significa che la CO2 totale L'efficienza -in metanolo è del 60%. Si tratta di un miglioramento significativo rispetto ai metodi esistenti.
La loro analisi basata su calcoli teorici ha confermato che il CoPc curvo sui nanotubi di carbonio a parete singola ha migliorato il legame della CO, consentendo la conseguente riduzione del monossido di carbonio. Al contrario, i nanotubi di carbonio larghi a parete multipla favoriscono il rilascio di CO.
"I nostri risultati mostrano che i nanotubi di carbonio sono materiali di supporto eccezionali per catalizzatori come CoPc. Le ampie aree superficiali specifiche dei nanotubi di carbonio disperdono facilmente le nanoparticelle, evitando l'agglomerazione, e la loro elevata conduttività elettronica li rende promettenti per applicazioni elettrochimiche", ha affermato il professor Ye.
"Ancora più importante, abbiamo dimostrato che indurre la distorsione molecolare attraverso nanotubi di carbonio a parete singola fornisce una strategia per la progettazione di elettrocatalizzatori molecolari ad alte prestazioni. Questo progresso promette di raggiungere la neutralità del carbonio, poiché può immagazzinare CO2 e l'elettricità rinnovabile come energia chimica", ha concluso.
Ulteriori informazioni: Jianjun Su et al, Strain potenzia l'attività degli elettrocatalizzatori molecolari tramite supporti di nanotubi di carbonio, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01005-3
Informazioni sul giornale: Catalisi della natura
Fornito dalla City University of Hong Kong
