Forscher untersuchen den Einfluss von Halogeniden auf die elektrochemische Kohlendioxidreduktion

Halogenide sind vielversprechend für die Verbesserung der Leistung von Katalysatoren, die bei der Kohlendioxidumwandlung verwendet werden. Ein Team von Wissenschaftlern hat die jüngsten Fortschritte und Herausforderungen im Zusammenhang mit Halogeniden untersucht und einen Ausblick auf zukünftige Forschungsrichtungen gegeben.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in einem Übersichtsartikel in der Zeitschrift Nano-Forschungsenergie am 30. November 2022.

Wissenschaftler betrachten die elektrochemische Kohlendioxid-Reduktionsreaktion (CO2RR) als vielversprechende Technologie, um die globale Erwärmung zu verringern und erneuerbare Energie zu speichern. Damit diese Technologie erfolgreich ist, werden kostengünstige, effiziente Elektrokatalysatoren benötigt. Trotz des Potenzials von CO2RR ist seine Verwendung derzeit aufgrund der Katalysatoraktivität und -selektivität, der Systemeffizienz und des Verständnisses der Reaktionswege begrenzt.

Es besteht ein starker Bedarf an der Entwicklung eines Elektrokatalysators mit hoher Aktivität und Selektivität, damit die CO2-Elektroreduktionstechnologie praktische Anwendungen finden kann.

Daher führte das Forschungsteam eine umfassende Überprüfung der Rolle und des Mechanismus von Halogenidionen im CO2RR-Prozess durch, um das zukünftige Design effizienter Elektrokatalysatoren besser zu steuern. „Das ultimative Ziel ist es, effizientere und aktivere Katalysatoren für die Umwandlung von CO2 in wertschöpfende Chemikalien und Kraftstoffe zu entwickeln. Es gibt starke Anwendungen in der Kohlenstoffnutzung“, sagte Yanwei Lum, Forscher am Institute of Materials Research and Engineering, Agency für Wissenschaft, Technik und Forschung.

In ihrer Übersicht untersuchte das Team die Rolle von Halogenidionen auf die Struktur und Morphologie von Elektrokatalysatoren. Als nächstes untersuchten sie die Beziehung zwischen den Halogenidionen und den Wertigkeitszuständen der aktiven Zentren auf der Katalysatoroberfläche. Dann fassten sie die Mechanismen von Halogenid bei der Verbesserung der CO2-Umwandlungseffizienz zusammen, einschließlich der Art und Weise, wie Halogenidionen am Elektronentransfer beteiligt sind, und deren Einfluss auf den Reaktionsweg. Sie schließen ihre Studie mit einem Resümee und einem Ausblick ab. „Wir möchten weitere Forschungen zum Einbau und zur Wechselwirkung von Halogenelementen mit CO2-Umwandlungskatalysatoren hervorheben und fördern“, sagte Lum.

Das Team hebt drei Bereiche hervor, von denen sie glauben, dass sie eine gründliche Untersuchung und Forschung erfordern. Zunächst empfiehlt das Team den Entwurf von Modellsystemen, um Schlüsselmechanismen in verschiedenen Situationen zu identifizieren. Das Team hat Mechanismen klassifiziert, durch die Halogenide zur elektrochemischen CO2-Reduktion unter Nanostruktur-Reorganisation, Modulation der elektronischen Struktur und direkter Förderung beitragen.

Diese Faktoren können sich jedoch alle gleichzeitig auf den Katalysator auswirken, was es schwierig macht, die wichtigsten Faktoren zu unterscheiden. Um einen Einblick in die Rolle von Halogenidionen bei CO2-Reduktionsreaktionen zu erhalten, sieht das Team daher die Notwendigkeit, systematisch gut definierte Modellsysteme zu entwerfen, um die Schlüsselmechanismen für jeden Fall zu untersuchen.

Ihre zweite Empfehlung ist die Entwicklung fortschrittlicher In-situ-Charakterisierungswerkzeuge, um die Rolle von Halogeniden besser zu verstehen. Unter Reaktionsbedingungen könnten sich die Oberflächenstruktur des Katalysators, aktive Stellen, Valenzzustand und Reaktionszwischenprodukte dynamisch ändern. Diese dynamischen Änderungen treten jedoch häufig nur für extrem kurze Zeiträume auf, und die Rolle der Halogenide in diesem Prozess wird möglicherweise nicht vollständig durch Ex-situ-Studien widergespiegelt.

Daher empfiehlt das Team, dass fortschrittliche In-situ-Charakterisierungen und -Methoden zur Messung der Katalysatoroberfläche und der Strukturänderungen verwendet werden sollten. Beispielsweise könnte die In-situ-Röntgenabsorptionsspektroskopie verwendet werden, um den Oxidationszustand des Katalysators unter Reaktionsbedingungen zu untersuchen. Mittels In-situ-Transmissionselektronenmikroskopie könnte beobachtet werden, wie sich die Nanostruktur des Katalysators während der CO2-Reduktion verändert.

Ihre dritte Empfehlung ist die Erforschung neuer Halogenid-basierter Katalysatorarchitekturen. Bisher konzentrierte sich die Forschung auf die Entwicklung von Elektrokatalysatoren auf Basis von Halogenid-modifizierten Metallen. Über solche Systeme hinaus könnten sich weitere Möglichkeiten für das Design neuer Typen von Elektrokatalysatoren ergeben. Beispielsweise könnten das Dotieren von Halogenen in kohlenstoffbasierte Katalysatoren und die Verwendung organischer Halogenidverbindungen als molekulare Additive zur Verbesserung der elektrokatalytischen Aktivität neue, vielversprechende Wege für die Erforschung werden.