Mod den selektive og energieffektive syntese af ethylen via reduktion af kuldioxid

Syntese af kulstofbaserede kemikalier via elektrokemisk reduktion af kuldioxid (CO₂ ) er blevet hovedmålet for talrige nylige energiforskningsindsatser. Selvom disse undersøgelser har givet lovende resultater, der muliggør produktion af forskellige udbredte kemikalier, udviser de fleste foreslåede tilgange dårlig energieffektivitet og selektivitet.

Foreslåede metoder til elektrokemisk reduktion af CO₂ i carbonhydriden ethylen, for eksempel, har hidtil ikke opnået ønskelig energieffektivitet og stabilitet. Dette har forhindret deres udbredte anvendelse som alternativer til konventionelle petrokemiske metoder til fremstilling af ethylen, som har negative virkninger på miljøet.

Forskere ved Université Montpellier og andre institutter har for nylig sat sig for at lette den selektive og energieffektive syntese af ethylen via reduktion af CO₂ ved at funktionalisere katalysatorer, der fremkalder reduktionsreaktioner. Deres papir, udgivet i Nature Energy , introducerer en strategi til at funktionalisere kobber (Cu) katalysatorer for CO₂ reduktion ved hjælp af aryldiazoniumsalte, farveløse stoffer, der i øjeblikket anvendes til at syntetisere forskellige organiske forbindelser.

"Selvom der er gjort fremskridt med at producere multikulstofprodukter fra den elektrokemiske reduktion af CO₂ , den beskedne selektivitet for ethylen (C₂ H₄ ) fører til lav energieffektivitet og høje downstream-separationsomkostninger," skrev Huali Wu, Lingqi Huang og deres kolleger i deres papir. "Vi funktionaliserer Cu-katalysatorer med en række substituerede aryldiazoniumsalte for at forbedre selektiviteten over for multi-carbon-produkter."

I deres beregninger og eksperimenter fandt Wu, Huang og deres samarbejdspartnere ud af, at forskellige aryldiazoniumsalte kunne hjælpe med at skræddersy Cus oxidationstilstand. Ved at bruge disse salte var de således i stand til at funktionalisere katalysatorer til en membranelektrodesamling (MEA) celle, den primære komponent i brændselsceller, der letter ønskede elektrokemiske reaktioner, herunder de reaktioner, der understøtter reduktionen af ​​CO₂ .

Forskerne testede ydeevnen af ​​denne MEA-flowcelle med skræddersyede Cu-steder i en række eksperimenter. De fandt ud af, at deres funktionaliseringsstrategi forbedrede energieffektiviteten og stabiliteten af ​​CO₂ reduktion til fremstilling af ethylen.

"Ved brug af beregning og operando-spektroskopi finder vi, at Cu-overfladeoxidationstilstand (δ ⁺ hvor 0 <� δ <� 1) kan indstilles ved funktionalisering, og at det påvirker selektiviteten til C₂ H₄ ," skrev forskerne.

"Vi rapporterer en faradaisk effektivitet og en specifik strømtæthed for C₂ H₄ så stor som 83 ± 2 % og 212 mA cm ⁻² på delvist oxideret Cu ^0,26+ . Ved at bruge en CO-gastilførsel demonstrerer vi en energieffektivitet på ~40 % med en C₂ H₄ Faradaisk effektivitet på 86 ± 2 %, svarende til et lavt elektrisk strømforbrug på 25,6 kWh Nm ⁻³ for CO til C₂ H₄ konverteringsreaktion."

Den nylige undersøgelse foretaget af dette hold af forskere introducerer en ny lovende strategi, der muliggør energieffektiv og stabil elektrosyntese af ethylen fra CO₂ , der udnytter kobbers valensteknologi. Denne strategi kan snart blive forfinet og yderligere valideret, hvilket potentielt kan bidrage til det fremtidige skift mod mere bæredygtige metoder til at producere ethylen i stor skala.

Flere oplysninger: Huali Wu et al., Selektiv og energieffektiv elektrosyntese af ethylen fra CO2 ved at justere valensen af ​​Cu-katalysatorer gennem funktionalisering af aryldiazonium, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-024-01461-6.

Journaloplysninger: Naturenergi

© 2024 Science X Network