Nanoskalige Zinnkatalysator -Entdeckung ebnet Weg für eine nachhaltige CO₂ -Umwandlung

Forscher haben einen nachhaltigen Katalysator entwickelt, der seine Aktivität während der Verwendung erhöht und gleichzeitig Kohlendioxid (CO2) in wertvolle Produkte umwandelt. Diese Entdeckung bietet eine Blaupause für die Gestaltung von Elektrokatalysatoren der nächsten Generation.

Ein kollaboratives Team der School of Chemistry der University of Nottingham und der University of Birmingham hat einen Katalysator aus Zinnmikropartikeln entwickelt, der von einer nanotestierten Kohlenstoffstruktur unterstützt wird. Die Wechselwirkungen zwischen den Zinnpartikeln und graphitisierten Kohlenstoffnanofasern spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Elektronen von der Kohlenstoffelektrode auf CO2 -Moleküle – ein wesentlicher Schritt bei der Umwandlung von CO2 in Formiat unter einem angelegten elektrischen Potential.

Die Ergebnisse dieser Forschung werden in veröffentlicht ACS angelegte Energiematerialien.

CO2 trägt der Hauptbeitrag zur globalen Erwärmung bei. Während CO2 in nützliche Produkte umgewandelt werden kann, beruhen herkömmliche Wärmeleitmethoden typischerweise auf Wasserstoff aus fossilen Brennstoffen. Daher ist es wichtig, alternative Methoden wie die Elektrokatalyse zu entwickeln, die nachhaltige Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft sowie die reichlich vorhandene Verfügbarkeit von Wasser als Wasserstoffquelle verwendet.

Bei der Elektrokatalyse fährt die Anwendung eines elektrischen Potentials auf den Katalysator die Elektronen durch das Material, um mit CO2 und Wasser zu reagieren und wertvolle Verbindungen zu erzeugen. Ein solches Produkt, Formiat, wird in der chemischen Synthese von Polymeren, Pharmazeutika, Klebstoffen und mehr häufig verwendet. Für eine optimale Effizienz muss dieser Prozess mit einem geringen Potential funktionieren und gleichzeitig eine hohe Stromdichte und Selektivität aufrechterhalten und die effektive Verwendung von Elektronen zum Umwandlung von CO2 in gewünschte Produkte sicherstellen.

Dr. Madasamy Thangamuthu, Research Fellow an der Universität von Nottingham, leitete das Forschungsteam: „Ein erfolgreicher Elektrokatalysator muss sich stark mit dem CO2-Molekül verbinden und Elektronen effizient injizieren, um seine chemischen Bindungen zu brechen. Wir haben eine neue Art von Kohlenstoff entwickelt Elektrode mit graphitisierten Nanofasern mit einer nanoskaligen Textur mit gekrümmten Oberflächen und Stiefkanten, um die Wechselwirkung mit Zinnpartikeln zu verbessern. „

Tom Burwell, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Nottingham, übernahm die Arbeit, während er im Zentrum für Doktoranden in einer nachhaltigen Chemie studierte. Er entwickelte den Ansatz und führte die experimentellen Arbeiten durch, sagte er: „Wir können die Leistung des Katalysators bewerten, indem wir den von den reagierenden CO2 -Molekülen verbrauchten elektrischen Strom gemessen haben. Typischerweise verschlechtern sich Katalysatoren während der Verwendung, was zu einer verminderten Aktivität führt.

„Überraschenderweise beobachteten wir, dass der Strom, der durch Zinn auf nanotexturiertem Kohlenstoff fließt, kontinuierlich über 48 Stunden erhöht. Die Analyse der Reaktionsprodukte bestätigte, dass fast alle Elektronen die CO2 zur Formation reduzieren und die Produktivität um den Faktor 3,6 erhöhen und gleichzeitig eine Selektivität von fast 100% aufrechterhalten hatten. „

Die Forscher haben diese Selbstoptimierung mit den Zinnmikropartikeln in Verbindung gebracht, die während der CO2-Reduktionsreaktion in Nanopartikel von nur 3 nm zusammenbrach. Tom Burwell erarbeitete: „Mit der Elektronenmikroskopie fanden wir, dass kleinere Zinnpartikel einen besseren Kontakt mit dem nanotexturierten Kohlenstoff der Elektrode erreichten, den Elektronentransport verbessern und die Anzahl der aktiven Blechzentren nahezu zehnmal erhöhen.“

Dieses transformative Verhalten unterscheidet sich signifikant von früheren Studien, in denen strukturelle Veränderungen in Katalysatoren häufig als nachteilig angesehen werden. Stattdessen ermöglicht die sorgfältig ausgerichtete Unterstützung des vom Nottingham -Team entwickelten Katalysators eine dynamische Anpassung der Zinn und eine verbesserte Leistung.

Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, sagte: „CO2 ist nicht nur ein bekanntes Gewächshausgas, sondern auch ein wertvolles Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien. Folglich entwirft neue Katalysatoren aus erdverkäuflichen Materialien wie Kohlenstoff und Zinn ist von entscheidender Bedeutung für eine nachhaltige CO2-Umstellung und das Erreichen des Netto-Null-Emissionsziels in Großbritannien.

Diese Entdeckung markiert eine Schrittänderung beim Verständnis des Designs von Stützen für die Elektrokatalyse. Durch die genaue Kontrolle der Wechselwirkung zwischen den Katalysatoren und ihren Stützen im Nanoskala hat das Team die Grundlagen für hochselektive und stabile Katalysatoren zur Umwandlung von CO2 in wertvolle Produkte gelegt.