Buede kulstofnanorør forbedrer elektrokatalysatorer for kulstofneutralitet

Elektrokatalyse spiller en afgørende rolle i udviklingen af ​​ren energi, fjernelse af drivhusgasser og energilagringsteknologier. En undersøgelse ledet af forskere fra City University of Hong Kong (CityU) fandt ud af, at enkeltvæggede kulstofnanorør er fremragende substrater til at øge omdannelsen af ​​drivhusgasser gennem molekylær krumning.

Ved at bruge disse nanorør som støtte til at inducere belastning af en elektrokatalysator, kan effektiviteten af ​​carbondioxidreduktion til methanol forbedres væsentligt.

Dette gennembrud åbner muligheder for at udvikle buede molekylære elektrokatalysatorer til effektivt at omdanne kuldioxid (CO₂ ), en af ​​de vigtigste drivhusgasser, til nyttige kemikalier og brændstoffer, hvilket reducerer kulstofemissionen. Værket er publiceret i tidsskriftet Nature Catalysis .

Mange molekylære komplekser, såsom cobaltphthalocyanin (CoPc), er effektive katalysatorer for CO₂ reduktionsreaktion (CO₂ RR). De reducerer dog primært CO₂ til giftig kulilte (CO), uden yderligere at generere en væsentlig mængde nyttige produkter, såsom methanol. "Derfor ønsker vi at udforske potentialet i CoPc ud over CO-produktion," sagde professor Ye Ruquan, fra Institut for Kemi ved City University of Hong Kong (CityU), som ledede forskningen.

Samtidig vides tøjning at påvirke egenskaberne af todimensionelle materialer, som ofte er på skalaen nanometer (nm). "Brugen af ​​buede substrater eller understøtninger til at inducere lokal belastning er veletableret til at modulere egenskaberne af konventionelle lagdelte materialer," forklarede professor Ye.

"Men rationel kontrol af stammen af ​​plane molekyler er udfordrende på grund af deres ultra-lille størrelse. Og hvordan stammen påvirker molekylære egenskaber er stadig dårligt forstået."

Sammen med sine samarbejdspartnere ledede professor Ye et forskerhold til at undersøge reaktiviteten for molekylære CoPc-katalysatorer på nanometerskala ved at anvende støtte-induceret strain engineering. De indførte med succes kontrolleret stamme i katalysatoren under 2 nm molekyler ved at bruge enkeltvæggede carbon nanorør som støtte.

Krumningen af ​​nanorørene på grund af de molekylære interaktioner inducerer belastning af de katalytiske molekyler, hvilket resulterer i bøjning. Brug af kulstofnanorørsubstrater med forskellige diametre giver dem mulighed for at justere bøjningsvinklen for CoPc-molekyler, der spænder fra 96° (for 1-nm-diameter carbon-nanorør) til 1,5° (for 100-nm-diameter carbonnanorør).

Sammenlignet med traditionelle plane molekyler udviste de buede molekyler forbedret elektrokatalytisk ydeevne. De viste højere selektivitet for CO₂ reduktion, hvilket favoriserer produktionen af ​​methanol frem for kulilte.

I en tandem-flow elektrolysator med monodispergeret CoPc på enkeltvæggede kulstof nanorør til CO₂ reduktion opnåede holdet en partiel methanolstrømtæthed på mere end 90 mA cm ⁻² med mere end 60 % selektivitet, hvilket betyder, at den samlede CO₂ -til-methanol effektivitet er 60%. Dette er en væsentlig forbedring i forhold til eksisterende metoder.

Deres analyse baseret på teoretiske beregninger bekræftede, at den buede CoPc på de enkeltvæggede carbonnanorør forbedrede CO-bindingen, hvilket muliggjorde den deraf følgende reduktion af carbonmonoxid. I modsætning hertil fremmer brede flervæggede kulstofnanorør frigivelsen af ​​CO.

"Vores resultater viser, at kulstofnanorør er exceptionelle støttematerialer til katalysatorer som CoPc. De store specifikke overfladearealer af kulstofnanorør spreder let nanopartikler, undgår agglomeration, og deres høje elektroniske ledningsevne gør dem lovende til elektrokemiske anvendelser," sagde professor Ye.

"Vigtigere er det, at vi viste, at inducering af molekylær forvrængning gennem enkeltvæggede kulstofnanorør giver en strategi til at designe højtydende molekylære elektrokatalysatorer. Dette fremskridt lover at opnå kulstofneutralitet, da det kan lagre CO₂ og vedvarende elektricitet som kemisk energi," konkluderede han.

Flere oplysninger: Jianjun Su et al, Strain øger aktiviteten af ​​molekylære elektrokatalysatorer via carbon nanorør-understøtninger, Naturkatalyse (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01005-3

Journaloplysninger: Naturkatalyse

Leveret af City University of Hong Kong