3D hierarkisk porøs nanostruktureret katalysator hjælper effektivt med at reducere kuldioxid

KAIST-forskere udviklede en tredimensionel (3-D) hierarkisk porøs nanostruktureret katalysator med kuldioxid (CO) ₂ ) til carbonmonoxid (CO) omdannelseshastighed op til 3,96 gange højere end for konventionelle nanoporøse guldkatalysatorer. Denne nye katalysator hjælper med at overvinde de eksisterende begrænsninger af massetransporten, der har været en væsentlig årsag til fald i CO ₂ omregningskurs, med et stærkt løfte om storstilet og omkostningseffektiv elektrokemisk omdannelse af CO ₂ til brugbare kemikalier.

Som CO ₂ emissioner stiger og fossile brændstoffer udtømmes globalt, reducere og konvertere CO ₂ at rense energi elektrokemisk har tiltrukket sig stor opmærksomhed som en lovende teknologi. Især på grund af det faktum, at CO ₂ reduktionsreaktion forekommer konkurrerende med hydrogenudviklingsreaktioner (HER) ved lignende redoxpotentialer, udviklingen af ​​en effektiv elektrokatalysator til selektiv og robust CO ₂ reduktionsreaktioner er fortsat et centralt teknologisk spørgsmål.

Guld (Au) er en af ​​de mest brugte katalysatorer i CO ₂ reduktionsreaktioner, men de høje omkostninger og knapheden ved Au udgør hindringer for kommercielle masseanvendelser. Udviklingen af ​​nanostrukturer er blevet grundigt undersøgt som en potentiel tilgang til at forbedre selektiviteten for målprodukter og maksimere antallet af aktive stabile steder, dermed øge energieffektiviteten.

Imidlertid, nanoporerne i de tidligere rapporterede komplekse nanostrukturer blev let blokeret af gasformige CO-bobler under vandige reaktioner. CO -boblerne forhindrede massetransport af reaktanterne gennem elektrolytten, hvilket resulterer i lav CO ₂ konverteringsrater.

I undersøgelsen offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences af USA ( PNAS ) den 4. marts en forskergruppe på KAIST ledet af professor Seokwoo Jeon og professor Jihun Oh fra Institut for Materialevidenskab og Teknik designet en 3-D hierarkisk porøs Au nanostruktur med to forskellige størrelser af makroporer og nanoporer. Holdet brugte proximity-field nanopatterning (PnP) og galvaniseringsteknikker, der er effektive til fremstilling af 3-D velordnede nanostrukturer.

Den foreslåede nanostruktur, består af indbyrdes forbundne makroporøse kanaler 200 til 300 nanometer (nm) brede og 10 nm nanoporer, inducerer effektiv massetransport gennem de indbyrdes forbundne makroporøse kanaler samt høj selektivitet ved at producere meget aktive stabile steder fra adskillige nanoporer.

Som resultat, dens elektroder viser en høj CO-selektivitet på 85,8 % ved et lavt overpotentiale på 0,264 V og effektiv masseaktivitet, der er op til 3,96 gange højere end den for delegerede nanoporøse Au-elektroder.

"Disse resultater forventes at løse problemet med masseoverførsel inden for lignende elektrokemiske reaktioner og kan anvendes til en bred vifte af grønne energianvendelser til effektiv udnyttelse af elektrokatalysatorer, "sagde forskerne.