Elektrokatalytische reductie van kooldioxide (CO₂ ) wordt beschouwd als een effectieve strategie om de energiecrisis en het broeikaseffect te verzachten. Van de vele reductieproducten wordt CO geacht de hoogste marktwaarde te hebben, omdat het een cruciale grondstof is voor het Fischer-Tropsch-proces, waarmee hoogwaardige koolwaterstoffen met lange ketens kunnen worden gesynthetiseerd.

Omdat de kooldioxidereductiereactie (CO₂ RR) heeft complexe tussenproducten en meerdere proton-gekoppelde elektronenoverdrachtsprocessen, waardoor het verbeteren van de reactieactiviteit en de productselectiviteit twee grote uitdagingen blijven.

Katalysatoren met één atoom (SAC's) hebben de voordelen van een hoog atoomgebruik, een afstembare coördinatiestructuur en uitstekende katalytische prestaties. Bovendien is de kans groter dat het, vanwege de speciale elektronische structuur van nikkelmetaal, elektronen verliest om lege buitenste d-orbitalen te vormen en een hoge activiteit en selectiviteit voor CO₂ te vertonen. RR om CO te genereren.

Een team van wetenschappers heeft de aanzienlijke vooruitgang van Ni SAC's in de afgelopen jaren samengevat. Hun werk is gepubliceerd in Industrial Chemistry &Materials .

"Het ontwerpen van nieuwe katalysatoren om de activiteit en selectiviteit van CO₂ te verbeteren RR is cruciaal voor het overwinnen van het probleem van de energiecrisis en milieuvervuiling”, zegt Yuhang Li, professor aan de East China University of Science and Technology, China.

"In deze mini-review introduceerden we drie strategieën die worden gebruikt om de katalytische prestaties van Ni SAC's te verbeteren, waaronder verschillende ondersteuningsstructuren, regulering van de coördinatiestructuur en oppervlaktemodificatie. Uiteindelijk hebben we ook de bestaande uitdagingen van Ni SAC's samengevat en voorzien een vooruitzicht op de toekomstige ontwikkeling op dit gebied."

SAC's verkleinen de actieve locaties tot atomaire schaal en krijgen daardoor tegelijkertijd een buitengewone elektronische structuur, krachtige metaal-ondersteuningsinteracties, laaggecoördineerde metaalatomen en maximaal atoomgebruik. Vandaar de toepassing van SAC's in CO₂ RR zou de distributie van producten effectief kunnen controleren en de kosten van het scheiden van producten kunnen verlichten.

"Enig onderzoek gebaseerd op de kristalveldtheorie heeft aangetoond dat de d-orbitale elektronische configuraties van centrale metalen significant zijn voor de selectiviteit en activiteit van CO₂ RR," zei Li.

"In het geval van nikkel als het centrale metaalatoom is de kans groter dat het de vacante buitenste d-orbitaal vormt om de elektronenoverdracht tussen het C-atoom van CO₂ te vergemakkelijken. en het Ni-atoom. Daarom wordt de geabsorbeerde CO₂ moleculen kunnen efficiënt worden geactiveerd. Ni SAC's kunnen ook het reactiepotentieel van CO₂ minimaliseren -CO-conversie, wat van groot belang is om de selectiviteit ten opzichte van CO te vergroten."

"Ni SAC's hebben de afgelopen jaren voortdurende vooruitgang geboekt. Vanuit microscopisch oogpunt omvatten de ontwerpstrategieën het kiezen van verschillende substraten, het reguleren van de coördinatiestructuur en het aanpassen van het katalysatoroppervlak. De elektronische structuur van het actieve centrum is de meest cruciale factor die de katalytische werking beïnvloedt." prestaties," zei Li.

Er is nog steeds een enorm potentieel voor Ni SAC's in toekomstige ontwerpen en toepassingen. Nauwkeurige modulatie van de microstructuur zorgt voor actievere locaties en verbetert daardoor de prestaties van Ni SAC's verder. Optimalisatie van de elektrolytische cellen en de ontwikkeling van meer soorten elektrolyten kunnen het bereik van Ni SAC-toepassingen uitbreiden en grootschalige commercialisering in de toekomst mogelijk maken.

Bovendien denken onderzoekers dat het ontwikkelen van meer in-situ technieken om dieper inzicht te krijgen in de relatie tussen materiaalstructuur en eigenschappen waardevolle richtlijnen kan bieden voor het ontwerpen van Ni SAC's met een hogere waarde.

"In deze mini-recensie is ons belangrijkste doel om lezers te voorzien van de huidige onderzoeksvoortgang in Ni SAC's in CO₂ RR en om onze inzichten in het ontwerp en de toepassing van katalysatoren met één atoom te tonen,' zei Li.

Het onderzoeksteam bestaat uit Ziyan Yang, Rongzhen Chen, Ling Zhang, Yuhang Li en Chunzhong Li van de East China University of Science and Technology.

Meer informatie: Ziyan Yang et al., Recente vooruitgang op het gebied van nikkel-enkel-atoomkatalysatoren voor de elektroreductie van CO₂ naar CO, Industriële chemie en materialen (2024). DOI:10.1039/D3IM00109A

Aangeboden door Industrial Chemistry &Materials