Jüngste Fortschritte bei Katalysatoren auf Nickelbasis für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid

In einem Artikel veröffentlicht in Fortschrittliche Sensor- und Energiematerialienuntersuchte ein internationales Wissenschaftlerteam die jüngsten Fortschritte bei Katalysatoren auf Nickelbasis für die elektrochemische Reduktion von Kohlendioxid. Die relevanten CO2RR-Mechanismen werden zunächst ausführlich diskutiert.

Anschließend werden mehrere typische Ni-basierte Katalysatoren zusammengefasst, darunter Ni-basierte Komplexkatalysatoren, Nanopartikel und Legierungen, Ni-basierte Verbindungen und atomar dispergierte Ni-Katalysatoren. In diesem Aufsatz werden auch die Herstellungsstrategien für Elektrokatalysatoren auf industrieller Ebene beleuchtet.

Abschließend werden die Chancen, Herausforderungen und Zukunftsaussichten der CO2RR-Technologie zusammengefasst. Dieser Aufsatz stellt die jüngsten Fortschritte und Grenzen von CO2RR-Katalysatoren auf Nickelbasis vor und ebnet den Weg für die weitere Erforschung hocheffizienter CO2RR-Elektrokatalysatoren. Diese Studie wird von Meiling Xiao vom State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry des Changchun Institute of Applied Chemistry geleitet.

Die Studie wird von Meiling Xiao (State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry, Changchun Institute of Applied Chemistry, China) geleitet.

Kohlendioxid ist ein berüchtigtes Treibhausgas, das zur Energieknappheit und zum Treibhauseffekt beiträgt. Durch den Einsatz von Techniken zur direkten Abscheidung, Umwandlung und Nutzung ist es möglich, den Kohlendioxidgehalt in der Atmosphäre effektiv zu reduzieren. CO2 kann durch verschiedene Methoden, darunter Elektrochemie, Photochemie, Biochemie und Thermochemie, in wertvolle Materialien umgewandelt werden.

Aufgrund der Fähigkeit, intermittierende erneuerbare Energie nahezu emissionsfrei zu speichern, ist die elektrochemische CO2-Reduktion ein interessantes Gebiet. Unterdessen zeichnet sich die CO2-Reduktionsreaktion (CO2RR) durch ihre hohe Reaktionsgeschwindigkeit und ihren flexiblen und kontrollierbaren Prozess aus, was sie zum vielversprechendsten Weg für die Speicherung erneuerbarer Energien im industriellen Maßstab macht.

Trotz erheblicher Anstrengungen bleibt die Aktivierung inerter linearer CO2-Moleküle aufgrund der thermodynamischen Stabilität und der langsamen Reaktionskinetik eine große Herausforderung, was sich auf die CO2-Reduktionsreaktion auswirkt.

Andererseits kann bei praktischen CO2-Reduktionsprozessen eine breite Palette möglicher Produkte gebildet werden, wie z. B. Kohlenmonoxid, Formiat, Methanol, Ethanol, Ethylen und Kohlenwasserstoffe, was die unterschiedlichen Reaktionswege der CO2-Reduktion widerspiegelt, die unter verschiedenen Bedingungen erhebliche Unterschiede aufweisen Bedingungen.

Angesichts der Tatsache, dass viele Reaktionswege ähnliche theoretische Initiierungspotentiale haben, kann es während der Reaktion zur gleichzeitigen Produktion verschiedener Produkte kommen, was zu einer schlechten Selektivität führt. Darüber hinaus führt die konkurrierende Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) auch zu niedrigen Faradayschen Wirkungsgraden (FE) für bestimmte Produkte.

Daher ist die Erforschung geeigneter Katalysatoren zur CO2-Reduktion von größter Bedeutung. Seit der Pionierarbeit von Hori und Kollegen im Jahr 1985 zu Elektroreduktionsprodukten haben Forscher verschiedene metallische Materialien getestet. In den letzten Jahrzehnten haben Edelmetalle wie Gold, Platin, Silber und Palladium eine hervorragende CO2RR-Leistung gezeigt.

Ihre geringe Häufigkeit und die hohen Kosten stellen jedoch eine Herausforderung für die industrielle Umsetzung dar. Daher wurden unedle Metalle mit zufriedenstellender Selektivität und hoher FE umfassend als kostengünstige Katalysatoren untersucht. Diese Elektrodenmaterialien umfassen eine breite Palette von Metallen wie Kupfer, Zink, Zinn, Wismut und Nickel.

Unter diesen Katalysatoren mit Metallatomen als aktiven Zentren weisen katalytische Materialien mit Ni-Zentren deutlichere Vorteile auf. Als beliebtes, auf der Erde vorkommendes Metall der Gruppe VIII-B gilt Ni aufgrund der großen Vielfalt an Ni-Wertigkeiten von 0 bis +4 als idealer Substituent für Edelmetalle beim Design von CO2RR-Katalysatoren.

Die reichhaltigen Redoxeigenschaften gepaart mit verschiedenen Koordinationsgeometrien ermöglichen die rationelle Gestaltung von Ligandengerüsten zur Koordination mit dem Ni-Zentrum und verleihen nickelbasierten Materialien spezifische katalytische Funktionen. Darüber hinaus wurde Nickel als aktives Zentrum in natürlichen Enzymen identifiziert, am Beispiel der bekannten CO-Dehydrogenasen (CODHs), die die reversible Umwandlung zwischen CO2 und CO ermöglichen.

Sowohl metallisches als auch oxidiertes Ni können CO2 mit bemerkenswert hohen Raten selektiv in C1-Produkte umwandeln und gleichzeitig HER unterdrücken. Ni-Einzelatomkatalysatoren (SACs) weisen im Vergleich zu anderen auf der Erde vorkommenden Metallen aufgrund ihrer moderaten CO2-Adsorptionsfähigkeit und der Nähe des D-Bands zum Fermi-Niveau eine höhere Reaktivität auf. Ni-SACs wurden als effiziente Kathodenmaterialien für CO2RR untersucht und zeigten eine hohe Aktivität und Selektivität.

Darüber hinaus ist Ni eines der wenigen Metalle, das die Reduktion von CO2 zu Kohlenwasserstoffen und Alkoholen effizient katalysieren kann. Die Einzigartigkeit von Ni-basierten Katalysatoren im CO2RR-Prozess lässt sich auf die moderate Kombination zwischen ∗CO und dem Ni-basierten Katalysator zurückführen, die die Aktivierung von CO2 und die anschließende Hydrierung von ∗CO erleichtert, was ein entscheidender Schritt bei der Kohlenwasserstoffbildung ist.

Ni-Ga-Legierungen waren beispielsweise in der Lage, Ethylen und Ethan zu produzieren. Ni-Phosphide können CO2 selektiv zu C3- und C4-Produkten (Methylglyoxal bzw. 2,3-Furandiol) mit einer geringen Überspannung (10 mV) und Stromdichten reduzieren. Die unerwartete Fähigkeit von Ni-basierten Elektrokatalysatoren, C-C-Kupplungsreaktionen zu fördern, ist angesichts der Anfälligkeit von Ni-Massen gegenüber einer CO-Vergiftung bemerkenswert.

Starke Wechselwirkungen mit CO können zur Deaktivierung oder Blockierung aktiver Zentren führen. Daher ist das Verständnis der Deaktivierungsmechanismen von entscheidender Bedeutung. Neben dem Katalysatordesign konzentrierten sich die jüngsten Fortschritte auch auf die Verbesserung katalytischer Systeme. Gasdiffusionselektroden (GDEs) werden häufig eingesetzt, um Reaktionsgase direkt zur Grenzfläche zwischen Katalysator und Elektrolyt zu transportieren, wodurch die CO2-Konzentration an der Katalysatoroberfläche erhöht und die Stromdichte gefördert wird.

Dieser Aufsatz fasst die jüngsten Fortschritte bei effizienten Ni-basierten Katalysatoren und CO2RR-Systemen zusammen. Zunächst bietet der Aufsatz eine kurze Einführung in die Reaktionsmechanismen, die für die Produktion von C1- und C2+-Produkten verantwortlich sind.

Der Schwerpunkt liegt auf jüngsten Entwicklungen, die sich speziell auf Ni-basierte Katalysatoren beziehen, darunter Ni-basierte Komplexe, Ni-basierte Einzel-/Multimetallkatalysatoren, Ni-basierte Verbindungen und atomar dispergierte Katalysatoren.

Faktoren, die die katalytische Effizienz beeinflussen, wie beispielsweise die Struktur der Katalysatoroberfläche, die Katalysatorgröße und der Oberflächenzustand, werden ausführlich beschrieben. Anschließend werden in der Übersicht Strategien zum Katalysator- und Systemdesign zur Erzielung einer hohen Faraday-Effizienz (FE) und Stromdichte beschrieben. Abschließend bietet der Bericht einen Überblick über zukünftige Chancen und Herausforderungen in diesem Bereich.