Et designprincip til at skabe selektive og robuste elektrokatalytiske grænseflader

For effektivt at modvirke klimaændringer og imødekomme stigende globale energibehov, mennesker skal drastisk ændre deres metoder til at generere energi. Nye katalysatorer til en kulstofneutral omdannelse af energi kan være en stor hjælp til at klare disse udfordringer, lette skiftet mod brugen af ​​vedvarende energikilder.

Elektrolytiske tilgange, som omdanner elektrisk energi til kemisk potentiel energi, er særligt lovende for udviklingen af ​​katalysatorer for at reducere CO ₂ . Disse fremgangsmåder er generelt baseret på brugen af ​​vandige stoffer, der er billige, let tilgængelig og sikker for miljøet. Ud over, de arbejder typisk ved omgivende temperaturer og tryk.

Nogle af de mest almindelige elektrokatalysatorer, der bruges til at aktivere CO ₂ reduktionsreaktioner er ædle metaller, uædle metaller, metaloxider, metaldichalcogenider og molekylære katalysatorer. Disse katalysatorer, såvel som andre testet i tidligere undersøgelser, ofte med afgørende begrænsninger, der forhindrer deres store implementering. For eksempel, de kan være meget dyre, samtidig med at den udviser lav energieffektivitet og utilfredsstillende elektrokemiske stabilitet.

Forskere ved Stanford University har for nylig udarbejdet en ny designstrategi, der kan hjælpe med at overvinde nogle af disse begrænsninger, muliggør fremstilling af selektive og alligevel robuste katalytiske grænseflader til heterogene elektrokatalysatorer, der kan reducere CO ₂ til C ₂ oxygenater. Deres tilgang til design af disse elektrokatalysatorer blev introduceret og skitseret i et papir udgivet af Naturenergi .

"Vi rapporterer et designprincip til oprettelse af en selektiv, men robust katalytisk grænseflade for heterogene elektrokatalysatorer i reduktionen af ​​CO ₂ til C ₂ oxygenater, demonstreret ved rationel tuning af en samling af nitrogendopede nanodiamanter (N-ND) og kobber-nanopartikler, "skrev forskerne i deres papir.

I deres undersøgelse, teamet på Stanford viste i det væsentlige, hvordan en katalytisk grænseflade kan samles ved at inkorporere Cu nanopartikler i N-ND, at skabe materialet N-ND/Cu. Synergien mellem disse to fusionerede komponenter (dvs. Cu og N-ND) viste sig at muliggøre betydelige forbedringer i katalysatorernes proces med CO ₂ til C ₂ oxygenat transformation.

"Katalysatoren udviser en faraidisk effektivitet på -63 procent mod C ₂ oxygenater ved anvendte potentialer på kun -0,5V versus en reversibel hydrogenelektrode, "forskerne skrev i deres papir." Desuden, denne katalysator viser en hidtil uset vedvarende katalytisk ydelse op til 120 timer, med jævn strøm og kun 19 procent aktivitet henfalder. "

Katalysatoren udviklet ved hjælp af designprincippet foreslået af disse Stanford-baserede forskere viste sig at overgå eksisterende elektrokatalytiske systemer på flere domæner, opnå en bemærkelsesværdig høj aktivitet og selektivitet. Ud over, den nye designstrategi giver mulighed for en enestående grad af kontrol over den katalytiske grænseflade, og følgelig også over reaktionsenergien og kinetikken.

I fremtiden, tilgangen kunne guide udviklingen af ​​en række nye elektrokatalytiske grænseflader, baner vejen for mere effektive og miljøvenlige teknikker til lagring af energi. Ud over, den samme designstrategi bør være let at anvende til fremstilling af talrige katalytiske transformationer, især dem, der er baseret på brugen af ​​vedvarende energikilder og let tilgængelige vandige stoffer.

© 2020 Science X Network