Die Welt ist in hohem Maße von fossilen Brennstoffen abhängig, um ihre Industrie und ihren Transport anzutreiben. Diese fossilen Brennstoffe führen zu einer übermäßigen Kohlendioxidemission, die zur globalen Erwärmung und Ozeanversauerung beiträgt. Eine Möglichkeit, diese übermäßige und umweltschädliche Kohlendioxidemission zu reduzieren, ist die Elektroreduktion von Kohlendioxid zu wertsteigernden Kraftstoffen oder Chemikalien unter Verwendung erneuerbarer Energien. Die Idee, mit dieser Technologie Methan zu erzeugen, hat großes Interesse geweckt. Forscher hatten jedoch nur begrenzten Erfolg bei der Entwicklung effizienter Katalysatoren für Methan.
Ein Forschungsteam der Universität Soochow hat nun eine einfache Strategie zur Herstellung von Katalysatoren aus Kobalt-Kupfer-Legierungen entwickelt, die eine hervorragende Methanaktivität und Selektivität bei der elektrokatalytischen Kohlendioxidreduktion bieten. Ihre Forschung ist veröffentlicht in Nanoforschung.
In den letzten 10 Jahren haben Wissenschaftler bemerkenswerte Fortschritte bei der Erweiterung ihres Verständnisses von Katalysatoren und der Anwendung des Wissens auf ihre Herstellung gemacht. Die entwickelten Katalysatoren waren jedoch hinsichtlich Selektivität oder Stromdichte für die Verwendung mit Methan nicht zufriedenstellend. Trotz der großartigen Erkenntnisse, die Wissenschaftler gewonnen haben, sind die Strategien, die sie versucht haben, um Katalysatoren für Methan herzustellen, einfach zu kostspielig, um in praktischen Anwendungen nützlich zu sein.
Das Team der Soochow University suchte nach metallorganischen Gerüsten, um die früheren Herausforderungen beim Bau von Katalysatoren für Methan zu überwinden. „Die metallorganischen Gerüste wurden als einzigartige Kategorie von Katalysatoren für elektrochemische Kohlendioxidreduktionsreaktionen wahrgenommen, da sie eine abstimmbare Plattform bieten, um die Koordination der Metallstelle systematisch zu verändern, die Helmholtz-Schicht zu regulieren und die Bindung der Zwischenprodukte zu kontrollieren“, sagte Professor Yang Peng , Soochow Institute of Energy and Materials Innovations, College of Energy, Soochow University. Die Helmholtz-Schicht bezieht sich auf die Grenze oder Grenzfläche, die dort auftritt, wo ein elektronischer Leiter mit einem Ionenleiter in Kontakt kommt.
Die Stabilität von metallorganischen Gerüsten während des Elektrolyseprozesses bleibt jedoch ein limitierendes Problem. Daher werden häufig metallorganische Gerüste als strukturelle Vorläufer verwendet, um nach der Rekonstruktion robustere Katalysatorensembles abzuleiten. In ihrer Forschung nutzte das Team die homogen verteilten Metallzentren des metallorganischen Gerüsts. Sie erzielten elektrochemisch reduzierte Kobalt-Kupfer-Legierungen, die eine hervorragende Methanaktivität und Selektivität bei der elektrokatalytischen Kohlendioxidreduktion bieten. Das Team verwendete bei der Entwicklung seiner Strategie In-situ-Röntgenadsorptionsspektroskopie und oberflächenverstärkte Infrarotspektroskopie mit abgeschwächter Totalreflexion.
Die Studie des Teams bietet nicht nur eine nützliche Strategie für die Konstruktion elektrokatalytischer Katalysatoren zur Kohlendioxidreduktion durch die elektrochemische Rekonstruktion von bimetallischen metallorganischen Gerüsten, sondern liefert auch wichtige Einblicke in die Steuerung elektrokatalytischer Kohlendioxidreduktionswege auf Kupfer durch atomare Dotierung von 3D-Übergangsmetallen. Diese 3D-Übergangsmetalle sind die Elemente im Periodensystem, die von 22Ti bis 29Cu (Titan bis Kupfer) laufen.
Durch Modulation der Kobaltdotierungskonzentration erzielte das Team einen bemerkenswerten Faradayschen Wirkungsgrad von 60 % gegenüber Methan bei einer hohen Betriebsstromdichte.
„Die wichtigste Botschaft, die wir in dieser Arbeit vermitteln möchten, ist, dass durch atomares Dotieren von Kupfer mit anderen 3D-Übergangsmetallen, selbst in einer kleinen Menge, die Energie und der Weg der elektrokatalytischen Kohlendioxidreduktion kontrollierbar moduliert werden können“, sagte Peng.
Als nächsten Schritt will das Team eine bessere Stabilität erreichen. Dazu testen sie das katalytische System in einer Membran-Elektroden-Einheit. „Unser ultimatives Ziel ist es, die Produktivität und Stabilität der Methanproduktion im industriellen Maßstab zu erreichen und die einfallsreiche Nutzung von Kohlendioxid auf umweltfreundliche Weise zu realisieren“, sagte Peng.
Hao Sun et al., Atomar dispergierte Co-Cu-Legierung, rekonstruiert aus einem metallorganischen Gerüst zur Förderung der elektrochemischen CO2-Methanisierung, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4728-1
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press