Kobber-sølv-guld nanostruktur giver kulstofopsamling og -udnyttelse et boost

Kemikere har udviklet en struktur i nanoskala, der kombinerer kobber, guld og sølv for at fungere som en overlegen katalysator i en kemisk reaktion, hvis forbedrede ydeevne vil være afgørende, hvis indsatsen for kulstoffangst og -udnyttelse skal lykkes med at hjælpe med at afbøde den globale opvarmning.

En undersøgelse, der beskriver processen, dukkede op i tidsskriftet Nano Research den 15. marts.

I lyset af klimaændringsudfordringen har politiske beslutningstagere i de senere år i stigende grad fokuseret på kulstoffangst-og-udnyttelse (CCU), hvor CO₂ trækkes ned fra atmosfæren og bruges derefter som råmateriale til industrielle kemikalier (såsom kulilte, myresyre, ethylen og ethanol) eller til produktion af kulstofneutrale syntetiske brændstoffer (især nyttigt til transportsektorer, der er svære at elektrificere) såsom langdistanceflyvning og skibsfart). Så længe sidstnævnte proces er drevet af ren elektricitet, tilbyder den også en måde at lagre vedvarende energi på på lang sigt - den hellige gral at overvinde uregelmæssigheden af ​​energimuligheder såsom vind- og solenergi.

En mulig måde at gøre alt dette på er via en kemisk reaktion kaldet den elektrokemiske CO₂ reduktionsreaktion (eCO₂ RR eller blot ECR). Dette bruger elektricitet til at drive omdannelsen af ​​gassen til andre brugbare stoffer ved at adskille CO₂ 's kulstofatomer fra dets oxygenatomer. Vand kan også give brint "donorer" i nogle varianter af ECR, hvorved kulstofatomerne kombineres med brint for at producere forskellige arter af kulbrinter eller alkoholer.

Nøglen til ECR er at bruge den rigtige katalysator eller kemiske stof, hvis struktur og ladning gør det muligt at sætte gang i eller fremskynde en kemisk reaktion. Forskellige forskellige metaller er blevet brugt som katalysatorer alt efter hvilket slutprodukt der ønskes. Katalysatorer, der kun anvender én type metal, omfatter tin til fremstilling af myresyre, sølv til kulilte (CO) og kobber til metan, ethylen eller ethanol.

Processens ydeevne kan imidlertid begrænses, når ECR konkurrerer med brintatomernes tendens i den elektrokemiske spaltning af vand til at parre sig med sig selv i stedet for at slutte sig til kulstofatomerne. Denne konkurrence kan føre til produktion (eller "udvælgelse") af et andet kemisk slutprodukt end det ønskede. Som følge heraf har kemikere længe været på jagt efter katalysatorer med høj "selektivitet".

For nylig, i stedet for blot at bruge et enkelt metal som katalysator, har forskere vendt sig til brugen af ​​heterostrukturer, der inkorporerer to forskellige materialer, hvis kombinerede egenskaber producerer forskellige eller overlegne resultater i forhold til et af de individuelle materialer på egen hånd.

Nogle af de heterostrukturer, der er blevet testet for ECR, omfatter kombination af sølv og palladium i en grenlignende formation (AgPd "nanodentrites") og forskellige andre kombinationer af to metaller i sandwich-lignende, rørlignende, pyramideformede og andre former. Forskere har haft stor succes med bimetalliske heterostrukturer, der inkluderer kobber - som er meget god til at omdanne CO₂ til produkter, der bruger to kulstofatomer. Disse bimetalliske heterostrukturer omfatter sølv-kobber (AgCu), zink-kobber (ZnCu) og guld-kobber (AuCu), hvor sidstnævnte nyder særlig selektivitetssucces for metan, C₂ og carbonmonoxid.

"Vi troede, at hvis to metaller gav gode resultater, så ville tre metaller måske være endnu bedre," sagde Zhicheng Zhang, en nanokemiker ved Tianjin University og medforfatter af undersøgelsen.

Så forskerne konstruerede en trimetallisk nanostruktur, der kombinerede guld, sølv og kobber og var asymmetrisk i form. Formen og det præcise forhold mellem de tre metaller kan ændres via en vækstmetode, der involverer flere trin. Specifikt syntetiseres guld "nanopyramider" først og bruges som "frø" til efterfølgende vækst af forskellige trimetalliske strukturer, der involverer forskellige forhold mellem de tre metaller.

De fandt som et resultat af den unikke form for deres heterostrukturdesign og ved at ændre forholdet mellem disse tre metaller, at de omhyggeligt kunne justere selektiviteten mod forskellige C₂ -baserede produkter. Produktion af ethanol (C₂ H₆ O) blev især maksimeret ved at bruge en heterostruktur med fodringsforholdet, der involverede et atom hver af guld og sølv kombineret med fem kobberatomer.

Arbejdet udstikker en lovende strategi for udvikling af andre trimetalliske nanomaterialer inden for ECR-udvikling. + Udforsk yderligere

Super-selektive katalysatorer nøglen til kulstofkonvertering