Elektrokemisk syntese af formiat fra kuldioxid ved anvendelse af en tin/reduceret grafenoxidkatalysator

Nedsættelse af emission og effektiv udnyttelse (fiksering) af kuldioxid (CO ₂ ) er verdensomspændende spørgsmål for at forhindre global opvarmning. Fremme af brugen af ​​vedvarende energi er effektiv til at reducere CO ₂ emissioner. Imidlertid, da der er store tidsafhængige udsving og store regionale forskelle i produktionen af ​​vedvarende energi, det er nødvendigt at etablere en fikseringsteknologi, der muliggør effektiv energitransport og -lagring. Dermed, der er stigende interesse for teknologier til syntetisering af nyttige kemikalier fra CO ₂ ved hjælp af elektricitet fra vedvarende energi. I særdeleshed, myresyre tiltrækker stor opmærksomhed som energibærer (brint), fordi den er flydende og giftfri ved stuetemperatur. Etablering af denne teknologi vil bidrage til effektiv transport og opbevaring af vedvarende energi og til fiksering af CO ₂ , og give mulighed for energilagring med høj miljøkompatibilitet.

Ved den elektrokemiske reduktion af CO ₂ , det er kendt, at myresyre kan opnås med en Faradic effektivitet på ca. 50 til 60% ved anvendelse af tin (Sn) som en katodekatalysator. Imidlertid, for at udvikle denne teknologi til praktisk brug, yderligere forbedring af Faradic -effektiviteten og en reduktion af overpotentiale er nødvendige. Der er meget aktiv interesse for forskning for at forstå designprincipperne for katalysatorer, så disse mål kan nås.

Det nuværende forskerhold ledet af Prof. reduktion af tinchlorid (SnCl ₂ ) og grafenoxid (GO) opnået ved oxidation af grafitpulver under anvendelse af den forbedrede Hummers -metode. I den således fremstillede katalysator, Sn dispergeres ensartet i rGO -laget, og kompositmaterialet stables for at danne en 3D-morfologi, dvs. rGO/Sn/rGO.

Denne katalysator er karakteriseret som en bærer med funktionel gruppe indeholdende en meget større mængde oxygen end den tin/grafitkatalysator, der anvendes til sammenligning. Da vi udførte den elektrokemiske reduktion af CO ₂ ved hjælp af disse katalysatorer med CO ₂ opløst i en opløsning af kaliumhydrogencarbonat (KHCO ₃ ), det blev fundet, at Sn/rGO -katalysatoren reducerede overpotentialet betydeligt og tillod en høj strømtæthed at blive opnået sammenlignet med Sn -katalysatoren. Ud over, når reduktionen af ​​CO ₂ blev udført med et konstant potentiale, næsten ingen andre produkter end myresyre såsom H. ₂ og CO, blev detekteret, og det lykkedes os at opnå myresyre med en Faradic -effektivitet på 98% (1,8 gange den med Sn -katalysator alene).

Årsagen til den meget effektive myresyreproduktion opnået ved anvendelse af Sn/rGO -katalysator er dens høje CO ₂ adsorptionskapacitet. Sn/rGO kan adsorbere fire gange så meget CO ₂ som Sn -katalysator alene. Yderligere, CO -hastigheden ₂ adsorption er otte gange den for Sn -katalysator alene. Beregningskemi forudsagde, at denne høje CO ₂ adsorptionskapacitet ville skyldes de oxiderede funktionelle grupper af rGO, og at produktionen af ​​hydrogen og kulilte ville blive undertrykt, da CO ₂ adsorberet af den oxiderede funktionelle gruppe af rGO leveres hurtigt og effektivt til den tilstødende Sn -overflade.

For at eksperimentelt bekræfte denne mekanisme, vores team forsøgte elektrokemisk billeddannelse af den katalytiske aktivitet med et scannende elektrokemisk cellemikroskop. Det blev afsløret, at der blev observeret en signifikant højere reduktionstrømstæthed ved grænsefladen mellem Sn og rGO end på Sn- eller rGO -overfladerne (fig. 3), hvilket tyder på, at en stor mængde myresyre syntetiseres på Sn ved siden af ​​rGO, til støtte for ovenstående forudsigelse ved beregningskemi. Dette er den første eksperimentelle demonstration ved hjælp af et scannende elektrokemisk cellemikroskop, at myresyresyntese forekommer aktivt ved grænsefladen mellem katalysatoren og bæreren. Dermed, mere effektiv myresyresyntese ville være mulig ved at kombinere en bærer med et højt CO ₂ adsorptionskapacitet med en katalysator til elektrokemisk reduktion af CO ₂ . Dette udgør en vigtig ramme, der kan anvendes på alle tilgængelige katalysatorer hidtil.

Resultaterne af denne undersøgelse giver ny indsigt i udviklingen af ​​katalysatorer til myresyresyntese ved reduktion af CO ₂ , og der forventes dramatiske fremskridt i udviklingen af ​​myresyresynteseteknologi ved den elektrokemiske reduktion af CO ₂ . Ud over, vi har vist en forbedring af selektiviteten på grund af det fremragende CO ₂ understøtningens adsorptionskapacitet samt belysning af dens reaktionsmekanisme. Dette bør have stor indflydelse på elektrokemisk reduktionsteknologi relateret til CO ₂ , herunder syntese af methanol, metan og olefiner. Derfor, det har potentiale til at være en nyttig grundteknologi i syntesen af ​​kemikalier fra CO ₂ . I fremtiden, vi forventer, at udviklingen af ​​elektrokemiske reduktionsceller ved hjælp af denne katalysator vil blive opmuntret, fører til oprettelse af energilagringsenheder med høj miljøkompatibilitet, der kan bidrage til fiksering af CO ₂ og fremme af effektiv brug af vedvarende energi.