KAIST-onderzoekers ontwikkelden een driedimensionale (3-D) hiërarchisch poreuze nanogestructureerde katalysator met koolstofdioxide (CO ₂ ) tot koolmonoxide (CO) conversieratio tot 3,96 keer hoger dan die van conventionele nanoporeuze goudkatalysatoren. Deze nieuwe katalysator helpt de bestaande beperkingen van het massatransport te overwinnen, dat een belangrijke oorzaak is geweest van de daling van de CO ₂ conversieratio, met een sterke belofte voor de grootschalige en kosteneffectieve elektrochemische omzetting van CO ₂ tot bruikbare chemicaliën.

als CO ₂ emissies nemen toe en fossiele brandstoffen raken wereldwijd uitgeput, CO . reduceren en omzetten ₂ elektrochemisch schone energie heeft als veelbelovende technologie veel aandacht gekregen. Vooral vanwege het feit dat de CO ₂ reductiereactie treedt competitief op met waterstofevolutiereacties (HER) bij vergelijkbare redoxpotentialen, de ontwikkeling van een efficiënte elektrokatalysator voor selectieve en robuuste CO ₂ reductiereacties is een belangrijk technologisch probleem gebleven.

Goud (Au) is een van de meest gebruikte katalysatoren in CO ₂ reductie reacties, maar de hoge kosten en schaarste van Au vormen obstakels voor massale commerciële toepassingen. De ontwikkeling van nanostructuren is uitgebreid bestudeerd als een mogelijke benadering om de selectiviteit voor doelproducten te verbeteren en het aantal actieve stabiele sites te maximaliseren, waardoor de energie-efficiëntie wordt verbeterd.

Echter, de nanoporiën van de eerder gerapporteerde complexe nanostructuren werden gemakkelijk geblokkeerd door gasvormige CO-bellen tijdens waterige reacties. De CO-bellen belemmerden het massatransport van de reactanten door de elektrolyt, resulterend in een lage CO ₂ omrekeningskoersen.

In de studie gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences van de VS ( PNAS ) op 4 maart een onderzoeksgroep bij KAIST onder leiding van professor Seokwoo Jeon en professor Jihun Oh van de afdeling Materials Science and Engineering ontwierp een 3D hiërarchisch poreuze Au-nanostructuur met macroporiën en nanoporiën van twee verschillende groottes. Het team gebruikte proximity-field nanopatterning (PnP) en galvaniseertechnieken die effectief zijn voor het fabriceren van de 3D goed geordende nanostructuren.

De voorgestelde nanostructuur, bestaande uit onderling verbonden macroporeuze kanalen van 200 tot 300 nanometer (nm) breed en 10 nm nanoporiën, induceert efficiënt massatransport door de onderling verbonden macroporeuze kanalen en een hoge selectiviteit door zeer actieve stabiele sites te produceren uit talrijke nanoporiën.

Als resultaat, de elektroden vertonen een hoge CO-selectiviteit van 85,8% bij een lage overpotentiaal van 0,264 V en een efficiënte massa-activiteit die tot 3,96 keer hoger is dan die van ongelegeerde nanoporeuze Au-elektroden.

"Deze resultaten zullen naar verwachting het probleem van massaoverdracht op het gebied van vergelijkbare elektrochemische reacties oplossen en kunnen worden toegepast op een breed scala aan groene energietoepassingen voor het efficiënte gebruik van elektrokatalysatoren, ", aldus de onderzoekers.