NUS-chemici hebben sleutelfactoren ontdekt die de selectiviteit bepalen van koper (Cu) katalysatoren voor het omzetten van koolstofdioxide (CO2) en water in bruikbare chemicaliën en brandstoffen.

De elektrochemische reductie van CO2 met behulp van hernieuwbare elektriciteit is een veelbelovende technologie om de CO2-uitstoot te beheersen en chemicaliën met een hoge toegevoegde waarde te produceren. Door elektronen aan een Cu-katalysator te leveren, koolstofdioxide en watermoleculen die aan het oppervlak zijn bevestigd, kunnen worden omgezet in bruikbare moleculen zoals methaan en ethyleen. Dit is vergelijkbaar met het fotosyntheseproces waarbij CO2 en water door planten worden omgezet in suiker.

Het verhogen van de selectiviteit van CO2-reductie naar gerichte producten is een van de belangrijkste uitdagingen die moeten worden overwonnen om het proces industrieel levensvatbaarder te maken. Eerder onderzoek naar het ontwerpen van selectieve koperkatalysatoren was uitgebreid gericht op nanostructurering en defectentechniek van hun oppervlakken. In dit werk, het onderzoeksteam onder leiding van Prof YEO Boon Siang, Jason van het departement scheikunde, NUS heeft ontdekt dat de aangelegde potentiaal (elektrische spanning) en de grootte van de stroom, die grotendeels over het hoofd zijn gezien, zijn sleutelfactoren die de selectiviteit van Cu-katalysatoren in CO2-elektroreductiereacties bepalen. De stroom die bij een bepaalde elektrische spanning wordt geproduceerd, is ook grotendeels afhankelijk van de ruwheid van de Cu-katalysatoren. Door de aangelegde spanning en de oppervlakteruwheid van een Cu-katalysator aan te passen, CO2 en water kunnen worden gemaakt om de productie van een specifieke op koolstof gebaseerde verbinding te bevorderen tijdens het elektrochemische reductieproces.

De bevindingen van het team kunnen de ontwikkeling mogelijk maken van selectievere katalysatoren voor het omzetten van CO2 in bruikbare chemicaliën en brandstoffen. Bijvoorbeeld, door de oppervlakteruwheidsfactor van een Cu-monster af te stemmen op 1,4 en de aangelegde spanning op -1,2 V versus omkeerbare waterstofelektrode (een referentie-elektrode), de selectiviteit van CO2-reductie naar methaan kan aanzienlijk worden verhoogd tot meer dan 60% (zie figuur). Deze katalysator is een van de meest selectieve katalysatoren in de wetenschappelijke gemeenschap voor de vorming van methaan. De prestaties van meer dan 20 eerder gerapporteerde op Cu-gebaseerde katalysatoren werden ook geanalyseerd, en bleken de bevindingen van het team te bevestigen.

Prof Yeo zei, "We ontdekten dat Cu-katalysatoren afgeleid van verschillende voorlopers, kan vergelijkbaar zijn in termen van chemische samenstelling. Echter, hun katalytische prestaties kunnen heel verschillend zijn. Verklaringen zoals de aanwezigheid van treden, randen en defecten op de katalysatoren worden typisch ingeroepen om deze verschijnselen te verklaren. Ons team ontdekte dat het toegepaste potentieel en het massatransport van CO2, die worden beïnvloed door stromingen, zijn ook kritische parameters die de selectiviteit Cu-katalysatoren beïnvloeden, en kan niet worden genegeerd."