Die elektrochemische Reduktion von CO2 zu wertschöpfenden Brennstoffen und chemischen Rohstoffen bietet einen nachhaltigen Weg zur Speicherung erneuerbaren Stroms und zur Minderung von Kohlenstoffemissionen. Derzeit ist Cu das vielversprechendste Material, das in der Lage ist, die CC-Kupplung zu katalysieren, um wertvollere Multikohlenstoffprodukte zu ergeben.
Ein voluminöses, flaches Cu begünstigt jedoch im Allgemeinen die H2- und CH4-Produktion, was zu einer unbefriedigenden C2+-Selektivität führt. Um diese Herausforderung zu meistern, wurden viele Strategien zur Verbesserung der katalytischen Leistung von Cu genutzt, einschließlich Morphologiemanipulation, Oberflächenmodifikation, Strukturrekonstruktion und so weiter.
Unter diesen Strategien ist die strukturelle Rekonstruktion von besonderem Interesse, da erwartet wird, dass sie strukturelle Defekte einführt, die reiche unterkoordinierte Stellen enthalten und somit das Potenzial haben, CO2RR effizient zu katalysieren. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, fortschrittliche Katalysatoren zu entwickeln, um Defekte mit hoher Dichte durch Rekonstruktion zu erreichen und letztendlich den Reaktionsweg zu steuern.
Kürzlich demonstrierte eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Min-Rui Gao (Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale, University of Science and Technology of China) das große Potenzial von Perowskit-Materialien für die effiziente Produktion wertvoller Multikohlenstoffverbindungen aus CO2RR über strukturelle Wiederaufbau. Das Team verwendete La2CuO4-Perowskitoxid als Präkatalysator und untersuchte seine strukturelle Entwicklung unter CO2RR-Bedingungen.
Durch mehrere technische Analysen fanden sie heraus, dass CO2 die Auflösung von La-Zentren in La2CuO4 wesentlich fördern kann, indem es Komplexe mit La-Oxiden bildet, was zum Zusammenbruch der Perowskit-Struktur mit gleichzeitiger Reduktion und Reorganisation von Cu-Zentren führt. Der resultierende polykristalline Cu-Katalysator (POD-Cu) bestand aus mehreren Nanokristalliten, die durch reichlich vorhandene Korngrenzen (GBs) miteinander verbunden waren.
Die Forscher beobachteten, dass diese GBs Gitterversetzungen und -verformungen in polykristallinen Materialien kinetisch einfangen und stabilisieren können, was eine Möglichkeit bietet, hochenergetische Oberflächen mit zahlreichen unterkoordinierten Stellen zu schaffen.
Unter Verwendung dieses GBs-reichen POD-Cu-Katalysators erreichten die Forscher einen Faradayschen Wirkungsgrad von ~80,3 % für C2+-Produkte mit partiellen Stromdichten über 400 mA cm-2 in neutraler Umgebung in einem Durchflusszellenelektrolyseur und übertraf damit das herkömmliche CuO-abgeleitete Cu (OD-Cu)-Gegenstücke.
Durch die Kombination der strukturellen und spektroskopischen Untersuchungen führte das Team die hervorragende katalytische Aktivität von POD-Cu auf reichlich defekte und unterkoordinierte Stellen zurück, die durch die hochdichten GBs, die durch strukturelle Rekonstruktion entstanden sind, eingefangen und stabilisiert werden.
Die Forscher schlugen vor, dass diese Stellen die wichtigsten COad-Zwischenprodukte stärker binden können, was nicht nur die Möglichkeit der Dimerisierung benachbarter COad-Spezies förderte, sondern auch die H2-Entwicklung weitgehend unterdrückte, indem der Zugang von Had-Zwischenprodukten zu aktiven Stellen eingeschränkt wurde.
Diese Studie demonstriert das Versprechen von Perowskit-Materialien für die effiziente Produktion wertvoller Multikohlenstoffverbindungen mittels CO2RR-Elektrochemie. Die Forscher gehen davon aus, dass diese Ergebnisse unmittelbar beim Design von CO2RR-Katalysatoren der nächsten Generation auf Basis flexibler und effizienter Perowskit-Materialien Verwendung finden können, die die großtechnische Produktion wertvoller Multikohlenstoffverbindungen durch CO2-Elektrolyse unterstützen sollten.
Die Forschung wird in der Zeitschrift veröffentlicht National Science Open.
Mehr Informationen:
Zhuang-Zhuang Niu et al, CO2-unterstützte Bildung von Korngrenzen für eine effiziente CO-CO-Kopplung an einem abgeleiteten Cu-Katalysator, National Science Open (2022). DOI: 10.1360/nso/20220044