NUS-wetenschappers hebben een nieuw mechanisme ontdekt voor selectieve elektrochemische reductie van koolstofdioxide (CO ₂ ) tot ethanol met behulp van koper-zilver (Cu-Ag) composietkatalysatoren.

Elektrochemische reductie van CO ₂ tot brandstoffen en chemicaliën, wanneer aangedreven door hernieuwbare elektriciteit, is een stap voorwaarts in het verminderen van de CO2-uitstoot. Koper (Cu) materialen zijn de beste katalysatoren voor dit proces omdat ze de hoogste elektrochemische activiteit hebben voor producten met meerdere koolstofatomen. Echter, hun selectiviteit naar ethanol (C ₂ H ₅ OH), een waardevolle brandstof en chemische grondstof, is altijd lager dan in de richting van ethyleen (C ₂ H ₄ ). De voorkeur voor de productie van ethyleen ten opzichte van ethanol komt voort uit het CO-dimerisatiemechanisme voor de productie van C ₂ moleculen uit CO ₂ , waar de vorming van ethyleen, die een lagere energiebarrière heeft, heeft de voorkeur boven ethanol.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof Yeo Boon Siang, Jason van de afdeling Scheikunde van NUS, in samenwerking met een team onder leiding van Dr. Federico Calle-Vallejo van de Universiteit van Barcelona, heeft aangetoond dat een instroom van CO-moleculen, geleverd door zilver (Ag) co-katalysatoren, activeert een anders vergrendelde mechanistische route op Cu die CO . omzet ₂ gas naar ethanol.

Een reeks Cu-Ag-composietkatalysatoren, vervaardigd uit een mengsel van oxide-afgeleide Cu-nanodraden en Ag-poeders, werden getest op hun elektrochemische CO ₂ reductie activiteiten. Tijdens CO ₂ vermindering, Ag zet CO . om ₂ tot CO en deze CO-moleculen migreren naar de Cu-actieve plaatsen voor verdere reductie tot koolwaterstoffen (ethyleen) en alcoholen (ethanol). De onderzoekers varieerden de Ag/Cu-verhouding en de Ag-deeltjesgroottes in de composieten om de CO-instroom van Ag naar de actieve plaatsen op het Cu-materiaal te vergroten. De experimentele resultaten toonden aan dat de verhoogde CO-instroom de productie van ethanol tot vijf keer verhoogde, met weinig impact op de ethyleenproductie. Theoretische simulaties van het reactiemechanisme laten zien dat in plaats van de CO+CO-stap die resulteert in ethyleenvorming, de CO+CH _x stap was de dominante stap van de vorming van CC-bindingen op het Cu-Ag-grensvlak. Ethanol was het enige product wanneer de reactie door de CO+CH _x stap, die bleek op te treden op andere actieve plaatsen dan die welke de vorming van ethyleen via de CO+CO-stap vergemakkelijkten.

Verdere plannen die voortkomen uit deze bevinding van het onderzoeksteam omvatten het maximaliseren van de actieve locaties door middel van katalysatorontwerp en opschaling van de productie met behulp van een flowcelconfiguratie met hoge doorvoer.

Prof Yeo zei, "Het concept dat een voorheen gesloten pad kan worden geopend door een toestroom van tussenproducten, zoals aangetoond in dit werk, opent nieuwe mogelijkheden om nieuwe synthetische mechanismen bloot te leggen die voorheen ontoegankelijk zouden kunnen zijn."