Forscher haben einen nachhaltigen Katalysator entwickelt, der seine Aktivität während der Anwendung erhöht, während Kohlendioxid umgewandelt wird (CO)2) in wertvolle Produkte. Diese Entdeckung bietet eine Blaupause für die Gestaltung von Elektrokatalysatoren der nächsten Generation.
Ein kollaboratives Team der School of Chemistry der University of Nottingham und der University of Birmingham hat einen Katalysator aus Zinnmikropartikeln entwickelt, der von einer nanotestierten Kohlenstoffstruktur unterstützt wird. Die Wechselwirkungen zwischen den Zinnpartikeln und graphitisierten Kohlenstoffnanofasern spielen eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Elektronen von der Kohlenstoffelektrode auf Co.2 Moleküle – ein wesentlicher Schritt bei der Umwandlung von CO2 in Formiat unter einem angelegten elektrischen Potential.
Die Ergebnisse dieser Forschung werden in veröffentlicht ACS angelegte EnergiematerialienEin Journal der American Chemical Society Publishing interdisziplinärer Forschung zu Materialien für Energieanwendungen.
CO2 trägt der wichtigste Beitrag zur globalen Erwärmung bei. Während co2 Kann in nützliche Produkte umgewandelt werden. Traditionelle thermische Methoden beruhen typischerweise auf Wasserstoff, die aus fossilen Brennstoffen bezogen werden. Daher ist es wichtig, alternative Methoden wie die Elektrokatalyse zu entwickeln, die nachhaltige Energiequellen wie Photovoltaik und Windkraft sowie die reichlich vorhandene Verfügbarkeit von Wasser als Wasserstoffquelle verwendet.
Bei der Elektrokatalyse fährt das Auftragen eines elektrischen Potentials auf den Katalysator die Elektronen durch das Material, um mit CO zu reagieren2und Wasser, die wertvolle Verbindungen erzeugen. Ein solches Produkt, Formiat, wird in der chemischen Synthese von Polymeren, Pharmazeutika, Klebstoffen und mehr häufig verwendet. Für eine optimale Effizienz muss dieser Prozess mit einem geringen Potential arbeiten und gleichzeitig eine hohe Stromdichte und Selektivität beibehalten und die effektive Verwendung von Elektronen zum Umwandeln von CO sicherstellen2 zu gewünschten Produkten.
Dr. Madasamy Thangamuthu, Research Fellow an der Universität von Nottingham, leitete das Forschungsteam.2 Molekül und injizieren Elektronen effizient, um seine chemischen Bindungen zu brechen. Wir haben eine neue Art von Kohlenstoffelektrode entwickelt, die graphitisierte Nanofasern mit einer nanoskaligen Textur mit gekrümmten Oberflächen und Stiefkanten umfasst, um die Wechselwirkung mit Zinnpartikeln zu verbessern. „
Tom Burwell, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Nottingham, übernahm die Arbeit, als er im Zentrum für Doktoranden in einer nachhaltigen Chemie studierte. Er entwickelte den Ansatz und führte die experimentellen Arbeiten aus, sagte er: „Wir können die Leistung des Katalysators bewerten, indem wir den von der Reaktionsreaktion verbrauchten elektrischen Strom gemessen haben2 Moleküle. Typischerweise verschlechtern sich Katalysatoren während der Verwendung, was zu einer verminderten Aktivität führt. Überraschenderweise beobachteten wir, dass der Strom, der durch Zinn auf nanotexturiertem Kohlenstoff fließt, über 48 Stunden kontinuierlich zunahm. Die Analyse der Reaktionsprodukte bestätigte, dass fast alle Elektronen verwendet wurden, um CO zu reduzieren2 Um die Produktivität um den Faktor 3,6 zu bilden und gleichzeitig eine Selektivität von fast 100% aufrechtzuerhalten. „
Die Forscher haben diese Selbstoptimierung mit den Zinnmikropartikeln in Verbindung gebracht, die während des CO in Nanopartikel von nur 3 nm zusammenbrach2 Reduktionsreaktion. Tom Burwell erläuterte: „Mit der Elektronenmikroskopie stellten wir fest, dass kleinere Zinnpartikel einen besseren Kontakt mit dem nanotexturierten Kohlenstoff der Elektrode erreichten, den Elektronentransport verbessern und die Anzahl der aktiven Blechzentren nahezu zehnmal erhöhen.“
Dieses transformative Verhalten unterscheidet sich signifikant von früheren Studien, in denen strukturelle Veränderungen in Katalysatoren häufig als nachteilig angesehen werden. Stattdessen ermöglicht die sorgfältig ausgerichtete Unterstützung des vom Nottingham -Team entwickelten Katalysators eine dynamische Anpassung der Zinn und eine verbesserte Leistung.
Professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, Universität Nottingham, sagte: „Co.2 ist nicht nur ein bekanntes Treibhausgas, sondern auch ein wertvolles Ausgangsmaterial für die Herstellung von Chemikalien. Infolgedessen ist es für einen nachhaltigen CO von entscheidender2 Konvertierung und Erreichung des Netto-Null-Emissionsziels Großbritanniens. Unsere Katalysatoren müssen auch über einen erweiterten Gebrauch aktiv bleiben, um den besten Wert zu gewährleisten. „
Diese Entdeckung markiert eine Schrittänderung beim Verständnis des Designs von Stützen für die Elektrokatalyse. Durch die genaue Kontrolle der Wechselwirkung zwischen den Katalysatoren und ihren Stützen im Nanoskal2 in wertvolle Produkte.
Diese Arbeit wird durch das EPSRC -Programm Grant „Metallatome auf Oberflächen und Schnittstellen (MASI) für nachhaltige Zukunft“ finanziert Wirtschaft und Umwelt. Masi-Katalysatoren werden auf atomeffiziente Weise hergestellt, um eine nachhaltige Verwendung chemischer Elemente sicherzustellen, ohne die Vorräte an seltenen Elementen zu erschöpfen und die meisten der reichlich vorhandenen Elemente der Erde wie Kohlenstoff- und Basismetalle zu machen.
