Als sich die Industrie im vergangenen Jahrhundert entwickelt hat, hatte ein übermäßiger Kohlendioxidausstoß zu Klimaproblemen und Treibhauseffekten geführt. Wissenschaftler arbeiten ständig an Lösungen für die Probleme der Treibhausgase, die die Erdoberfläche und die unteren Teile der Atmosphäre erwärmen. Kohlendioxid ist das am weitesten verbreitete Treibhausgas.
Kohlendioxid kann unter Verwendung von Wind- oder Sonnenlicht-abgeleiteter elektrischer Energie elektrochemisch zu wertvollen Chemikalien reduziert werden. Diese Elektroreduktion von Kohlendioxid bietet Wissenschaftlern eine vielversprechende Strategie zur Steuerung der Kohlenstoffbilanz auf globaler Ebene. Die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid bietet das zukünftige Potenzial zur Umwandlung des Kohlendioxids in nützliche, umweltfreundlichere Chemikalien, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, Methan oder Ethanol. Um eine Elektroreduktion von Kohlendioxid zu erreichen, benötigen Wissenschaftler effiziente Elektrokatalysatoren. Elektrokatalysatoren sind die Katalysatoren, die in elektrochemischen Reaktionen verwendet werden. Sie können die Geschwindigkeit der auftretenden Reaktion erhöhen. Ein Forschungsteam der Universität Nanjing hat Katalysatoren mit einer Fluordotierungsmethode konstruiert, die ihre Leistung verbessert.
Das Forschungsteam berichtete über seine Ergebnisse in Nanoforschung.
Wissenschaftler wissen, dass kostengünstige Metall-Stickstoff-Kohlenstoff-Single-Site-Katalysatoren gut für die Elektroreduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid geeignet sind. Unter diesen besitzen die Nickel-Stickstoff-dotierten Kohlenstoff-Single-Site-Katalysatoren die hohe faradaysche Effizienz von Kohlenmonoxid und einen großen Partialstrom. Der faradaysche Wirkungsgrad beschreibt, wie effizient Ladung bei einer elektrochemischen Reaktion übertragen wird.
Das Forschungsteam hat bereits die faradaysche Effizienz und den großen Teilstrom von Nickel-Stickstoff-dotierten Kohlenstoff-Single-Site-Katalysatoren durch Dotierung gesteigert. Im Vergleich zu den Nickel-Stickstoff-dotierten Kohlenstoff-Single-Site-Katalysatoren haben Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Single-Site-Katalysatoren niedrigere Überspannungen für die Kohlendioxid-Elektroreduktion. Überspannung beschreibt die Spannungseffizienz einer Zelle. Frühere Forschungen verwendeten Röntgenabsorptions-Feinstrukturspektroskopie, um zu verifizieren, dass die aktiven Stellen der Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Single-Site-Katalysatoren Fe3+-Stellen sind. Diese Fe3+-Stellen ermöglichen dem Katalysator, bei der Kohlendioxidadsorption und Kohlenmonoxiddesorption wirksamer zu sein.
Das Team konstruierte einen fluordotierten Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Single-Site-Katalysator, der erwartungsgemäß mehr Fe3+-Stellen besitzt. Der von ihnen konstruierte fluordotierte Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Single-Site-Katalysator behielt den Vorteil der niedrigen Überspannung bei. Es förderte auch die Kohlenmonoxid-Faraday-Effizienz von einem vulkanähnlichen hohen Wert zu einem hohen Plateauwert. „Die Ergebnisse weisen auf die überlegene Stabilität von fluordotiertem Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff gegenüber Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff aufgrund der Fluordotierung hin“, sagte Lijun Yang, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen der Universität Nanjing.
Das Forschungsteam kommt zu dem Schluss, dass die elektronenziehende Fluordotierung es dem Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Single-Site-Katalysator ermöglicht, den Vorteil einer niedrigen Überspannung beizubehalten, mit einer stark erhöhten Kohlenmonoxid-Faraday-Effizienz und partiellen Stromdichte aufgrund der stabilisierten Fe3+-Stellen.
Das Team synthetisierte den Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff mithilfe einer Wärmemethode namens Adsorptionspyrolyse. Sie führten die Kohlendioxid-Elektroreduktionsexperimente in einer Zelle vom H-Typ und einer Gasdiffusionselektrodenzelle durch. Sie verwendeten theoretische Berechnungen, um die Verbesserungen, die mit der Fluordotierung eintraten, besser zu verstehen.
„Elektrochemische Tests zeigen, dass die durch Fluordotierung angereicherten Defekte die elektroaktive Oberfläche kinetisch vergrößern und die Ladungsübertragung verbessern“, sagte Yang. Mit Blick auf weitere Studien bieten die Ergebnisse des Forschungsteams eine einfache und kontrollierbare Strategie zur Verbesserung der Leistung von Eisen-Stickstoff-Kohlenstoff-Katalysatoren bei der Elektroreduktion von Kohlendioxid zu Kohlenmonoxid durch Stabilisierung der Fe3+-Stellen.
Yiqun Chen et al, Steigerung der faradayschen Effizienz der CO2-Elektroreduktion zu CO für Fe-N-C-Single-Site-Katalysatoren durch Stabilisierung von Fe3+-Stellen durch F-Dotierung, Nanoforschung (2022). DOI: 10.1007/s12274-022-4441-0
Zur Verfügung gestellt von Tsinghua University Press