Strategier til at forbedre ydeevnen af ​​nikkel-enkeltatom-katalysatorer til elektroreduktion af CO₂ til CO

Elektrokatalytisk reduktion af kuldioxid (CO₂ ) betragtes som en effektiv strategi til at afbøde energikrisen og drivhuseffekten. Blandt de mange reduktionsprodukter anses CO for at have den højeste markedsværdi, da det er et afgørende råmateriale til Fischer-Tropsch-processen, som kan syntetisere højværdi-langkædede kulbrinter.

Siden kuldioxidreduktionsreaktionen (CO₂ RR) har komplekse mellemprodukter og flere protonkoblede elektronoverførselsprocesser, hvilket forbedrer reaktionsaktiviteten og produktselektiviteten er fortsat to store udfordringer.

Single-atom katalysatorer (SAC'er) har fordelene ved høj atomudnyttelse, afstembar koordinationsstruktur og fremragende katalytisk ydeevne. På grund af den specielle elektroniske struktur af nikkelmetal er det desuden mere sandsynligt at miste elektroner for at danne tomme yderste d-orbitaler og udvise høj aktivitet og selektivitet for CO₂ RR for at generere CO.

Et team af videnskabsmænd har opsummeret de betydelige fremskridt for Ni SAC'er i de seneste år. Deres arbejde er udgivet i Industrial Chemistry &Materials .

"Design af nye katalysatorer for at forbedre aktiviteten og selektiviteten af ​​CO₂ RR er afgørende for at overvinde problemet med energikrise og miljøforurening," sagde Yuhang Li, professor ved East China University of Science and Technology, Kina,

"I denne minigennemgang introducerede vi tre strategier, der bruges til at forbedre den katalytiske ydeevne af Ni SAC'er, herunder forskellige strukturer af understøtninger, koordinationsstrukturregulering og overflademodifikation. Til sidst opsummerede vi også de eksisterende udfordringer ved Ni SAC'er og leverede et syn på den fremtidige udvikling på dette område."

SAC'er reducerer de aktive steder til atomskala og får derfor ekstraordinær elektronisk struktur, kraftfulde metal-understøttende interaktioner, lavt koordinerede metalatomer og maksimal atomudnyttelse på samme tid. Derfor er anvendelsen af ​​SAC'er i CO₂ RR kunne effektivt kontrollere distributionen af ​​produkter og lette omkostningerne ved produktadskillelse.

"Nogle forskning baseret på krystalfeltteori har indikeret, at de d-orbitale elektroniske konfigurationer af centrale metaller har betydning for selektiviteten og aktiviteten af ​​CO₂ RR," sagde Li.

"I tilfælde af nikkel som det centrale metalatom, er det mere sandsynligt, at det danner den ledige yderste d-orbital for at lette elektronoverførslen mellem C-atomet i CO₂ og Ni-atomet. Derfor absorberes CO₂ molekyler kan aktiveres effektivt. Ni SAC'er kan også minimere reaktionspotentialet for CO₂ -CO-omdannelse, hvilket er af stor betydning for at øge selektiviteten over for CO."

"Ni SAC'er har opnået kontinuerlige fremskridt i de seneste år. Fra et mikroskopisk synspunkt omfatter designstrategierne valg af forskellige substrater, regulering af koordinationsstrukturen og ændring af katalysatoroverfladen. Den elektroniske struktur af det aktive center er den mest afgørende faktor, der påvirker katalytisk præstation," sagde Li.

Der er stadig et enormt potentiale for Ni SAC'er i fremtidige designs og applikationer. Præcis modulering af mikrostrukturen giver mere aktive steder og forbedrer derfor ydeevnen af ​​Ni SAC'er yderligere. Optimering af de elektrolytiske celler og udvikling af flere typer elektrolytter kan udvide rækken af ​​Ni SAC-applikationer og muliggøre kommercialisering i stor skala i fremtiden.

Derudover mener forskere, at udvikling af flere in-situ-teknikker for at få dybere indsigt i forholdet mellem materialestruktur og egenskaber kan give værdifuld vejledning til at designe Ni SAC'er af højere værdi.

"I denne minianmeldelse er vores hovedmål at give læserne de aktuelle forskningsfremskridt i Ni SAC'er i CO₂ RR og for at vise vores indsigt i design og anvendelse af enkeltatom-katalysatorer," sagde Li.

Forskerholdet omfatter Ziyan Yang, Rongzhen Chen, Ling Zhang, Yuhang Li og Chunzhong Li fra East China University of Science and Technology.

Flere oplysninger: Ziyan Yang et al., Nylige fremskridt inden for nikkel-enkeltatom-katalysatorer til elektroreduktion af CO₂ til CO, Industriel kemi og materialer (2024). DOI:10.1039/D3IM00109A

Leveret af Industrial Chemistry &Materials