Selektive katalysatorer til kuldioxidgenanvendelse

NUS kemikere har opdaget nøglefaktorer, der bestemmer selektiviteten af ​​kobber (Cu) katalysatorer til at omdanne kuldioxid (CO2) og vand til nyttige kemikalier og brændstoffer.

Den elektrokemiske reduktion af CO2 ved brug af vedvarende elektricitet er en lovende teknologi til at kontrollere CO2-emissioner og producere kemikalier med høj værditilvækst. Ved at tilføre elektroner til en Cu-katalysator, kuldioxid- og vandmolekyler, som er bundet til dens overflade, kan omdannes til nyttige molekyler såsom methan og ethylen. Dette svarer til fotosynteseprocessen, hvor CO2 og vand omdannes af planter til sukker.

Forøgelse af selektiviteten af ​​CO2-reduktion over for målrettede produkter er en af ​​de vigtigste udfordringer, der skal overvindes for at gøre processen mere industrielt levedygtig. Tidligere forskningsarbejde for at designe selektive kobberkatalysatorer har i vid udstrækning fokuseret på nanostrukturering og defektkonstruktion af deres overflader. I dette arbejde, forskerholdet ledet af prof YEO Boon Siang, Jason fra Institut for Kemi, NUS har opdaget, at det påførte potentiale (elektrisk spænding) og størrelsen af ​​strømmen, som stort set er blevet overset, er nøglefaktorer, der bestemmer selektiviteten af ​​Cu-katalysatorer i CO2-elektroreduktionsreaktioner. Den strøm, der produceres ved en bestemt elektrisk spænding, er også i høj grad afhængig af Cu-katalysatorernes ruhed. Ved at justere den påførte spænding og overfladeruheden af ​​en Cu-katalysator, CO2 og vand kan fremstilles for at fremme produktionen af ​​en specifik kulstofbaseret forbindelse under den elektrokemiske reduktionsproces.

Holdets resultater kan muliggøre udviklingen af ​​mere selektive katalysatorer til at omdanne CO2 til nyttige kemikalier og brændstoffer. For eksempel, ved at indstille overfladeruhedsfaktoren for en Cu-prøve til 1,4 og den påførte spænding til -1,2 V versus reversibel brintelektrode (en referenceelektrode), selektiviteten af ​​CO2-reduktion til metan kan øges væsentligt til mere end 60 % (se figur). Denne katalysator er blandt de mest selektive katalysatorer i det videnskabelige samfund til metandannelse. Ydelserne af mere end 20 tidligere rapporterede Cu-baserede katalysatorer blev også analyseret, og blev vist at bekræfte holdets resultater.

Prof Yeo sagde, "Vi fandt ud af, at Cu-katalysatorer stammede fra forskellige forstadier, kan være ens med hensyn til kemisk sammensætning. Imidlertid, deres katalytiske ydeevne kan være meget anderledes. Forklaringer såsom tilstedeværelsen af ​​trin, kanter og defekter på katalysatorerne påberåbes typisk for at forklare disse fænomener. Vores team opdagede, at det anvendte potentiale og massetransport af CO2, som er påvirket af strøm, er også kritiske parametre, der påvirker selektiviteten Cu-katalysatorer, og kan ikke ignoreres."