Indpakning af kobberterninger i nanostørrelse kan hjælpe med at omdanne kuldioxid til andre kemikalier

Efterhånden som behovet for at afbøde klimaændringerne accelererer, forsøger forskerne at finde nye måder at reducere udledningen af ​​kuldioxid på. En proces, kaldet elektrokemisk reduktion eller elektrolyse, bruger elektricitet og en katalysator til at omdanne kuldioxid til organiske produkter, der kan bruges på andre måder. I modsætning til omdannelse mellem vand og brint kan kemisk genanvendelse af kuldioxid producere forskellige anvendelige produkter, fordi kulstof kan udvikle store variationer af organiske strukturer.

En måde at opnå elektrokemisk reduktion af kuldioxid bruger meget små stykker kobber. Mens bulk kobbermetal har vidst at omdanne kuldioxid til forskellige organiske molekyler, kan disse små stykker kobber yderligere forbedre den katalytiske aktivitet, ikke kun ved at øge dets overfladeareal, men også ved den unikke elektroniske struktur af kobber, der er opstået fra nanostørrelse.

I et papir offentliggjort i Chemical Communications den 23. juni forklarer forskere en proces til at forbedre den måde, kobbernanokuberne omdanner kuldioxid på, ved at forbedre deres selektivitet. Selektivitet refererer til en katalysators evne til at producere et ønsket produkt frem for uønskede biprodukter.

"Seneste udvikling inden for kuldioxidreduktion ved hjælp af kobberelektrokatalysatorer kan omdanne gassen til kulbrinter og alkohol, men selektiviteten af ​​forskellige kobberrelaterede elektrokatalysatorer udviklet indtil videre er stadig uhåndgribelig, fordi de har tendens til at miste aktivitet gennem strukturel omorganisering under katalysen," sagde Shoko Kume, lektor ved Graduate School of Advanced Science and Engineering ved Hiroshima University i Japan.

Forskere opdagede, at dette problem kan løses ved at dyrke et organisk lag oven på nanokuberne. Først blev et par monomerer tilsat til kobberoxid-nanokuben. Disse monomerer blev bundet af kemien på kobberoxid, og et jævnt organisk lag voksede på overfladen af ​​kuberne.

Dette nye organiske lag hjælper med at forbedre selektiviteten for reduktion af kuldioxid, til dels fordi kuldioxid har dårlig opløselighed, og det organiske lag, som forskerne producerede, har hydrofobe egenskaber, hvilket betyder, at det afviser overskydende vand, hvorfra uønsket brint produceres. "Indpakningen forbedrede kuldioxidreduktionen af ​​kobberet under dette organiske lag ved at undertrykke brintudviklingen og bibeholdt også den kubiske struktur under hele katalysatoroperationen," sagde Kume.

En anden vigtig faktor for at forbedre kvaliteten af ​​det organiske lag var temperaturen på væksttidspunktet, med de bedste resultater fundet ved stuetemperatur. Under de bedste forhold er laget fladt med en tykkelse på flere molekyler. Selv det tynde lag trænger let igennem kuldioxid og tillader det indpakkede kobber at gennemgå elektroreduktion, hvilket beskytter metallerne og hjælper kuberne med at bevare deres form.

I øjeblikket er kobbernanokuber ikke udbredt som en metode til reduktion af kuldioxid, fordi de er ustabile og ikke har det niveau af selektivitet, der er nødvendigt for effektivt at genbruge kuldioxiden til andre kemiske produkter. Resultaterne af dette papir fremhæver en ny metode til at skabe en elektrokatalysator ved hjælp af kobbernanokuber, der kan løse nogle af disse problemer. Forskere påpeger også, at metoden kan modificeres for at kontrollere både selektiviteten og forbedre, hvordan katalysatorerne fungerer.

"Vores nuværende metode kan introducere en lang række organiske strukturer i laget, som kan være involveret i kuldioxidreduktionsprocessen for at kontrollere dets selektivitet og effektivitet," sagde Kume. "Det kan også bruges til at kontrollere den dynamiske adfærd af metalarter under katalyse, som kan udvikle katalysatorer med lang levetid og en tolerance over for urenheder." + Udforsk yderligere

Forskere fremstiller kobolt-kobber-katalysatorer til metan på metal-organisk skelet