Naarmate de noodzaak om de klimaatverandering te verminderen steeds groter wordt, proberen wetenschappers nieuwe manieren te vinden om de uitstoot van kooldioxide te verminderen. Eén proces, elektrochemische reductie of elektrolyse genaamd, gebruikt elektriciteit en een katalysator om koolstofdioxide om te zetten in organische producten die op andere manieren kunnen worden gebruikt. In tegenstelling tot de omzetting tussen water en waterstof, kan chemische recycling van koolstofdioxide verschillende bruikbare producten opleveren, omdat koolstof enorme variëteiten van organische structuren kan ontwikkelen.

Een manier om elektrochemische reductie van kooldioxide te bereiken, maakt gebruik van zeer kleine stukjes koper. Hoewel bekend is dat kopermetaal in bulk koolstofdioxide omzet in verschillende organische moleculen, kunnen deze kleine stukjes koper de katalytische activiteit verder verbeteren, niet alleen door de vergroting van het oppervlak, maar ook door de unieke elektronische structuur van koper die voortkomt uit nanosizing.

In een paper gepubliceerd in Chemical Communications op 23 juni leggen onderzoekers een proces uit om de manier te verbeteren waarop de koperen nanokubussen koolstofdioxide omzetten, door hun selectiviteit te verbeteren. Selectiviteit verwijst naar het vermogen van een katalysator om een ​​gewenst product te produceren boven ongewenste bijproducten.

"Recente ontwikkelingen in de reductie van kooldioxide met behulp van koperen elektrokatalysatoren kunnen het gas omzetten in koolwaterstoffen en alcohol, maar de selectiviteit van verschillende kopergerelateerde elektrokatalysatoren die tot nu toe zijn ontwikkeld, is nog steeds ongrijpbaar, omdat ze de neiging hebben om activiteit te verliezen door structurele reorganisatie tijdens de katalyse," zei Shoko Kume, universitair hoofddocent aan de Graduate School of Advanced Science and Engineering aan de Universiteit van Hiroshima in Japan.

Onderzoekers ontdekten dat dit probleem kan worden opgelost door een organische laag op de nanokubussen te laten groeien. Eerst werd een paar monomeren toegevoegd aan de koperoxide nanokubus. Deze monomeren werden vastgebonden door de chemie op koperoxide en er groeide een gelijkmatige organische laag op het oppervlak van de kubussen.

Deze nieuwe organische laag helpt bij het verbeteren van de selectiviteit van koolstofdioxidereductie, deels omdat koolstofdioxide slecht oplosbaar is en de organische laag die de onderzoekers hebben geproduceerd hydrofobe eigenschappen heeft, wat betekent dat het overtollig water afstoot, waaruit ongewenste waterstof wordt geproduceerd. "De omhulling verbeterde de kooldioxide-reductie van het koper onder deze organische laag door de waterstofontwikkeling te onderdrukken, en handhaafde ook de kubische structuur tijdens de katalysatoroperatie", zei Kume.

Een andere belangrijke factor voor het verbeteren van de kwaliteit van de organische laag was de temperatuur op het moment van de groei, met de beste resultaten bij kamertemperatuur. Onder de beste omstandigheden is de laag vlak met een dikte van meerdere moleculen. Zelfs de dunne laag dringt gemakkelijk kooldioxide door en laat het omwikkelde koper elektroreductie ondergaan, waardoor de metalen worden beschermd en de kubussen hun vorm behouden.

Momenteel worden koperen nanokubussen niet algemeen gebruikt als methode voor het verminderen van kooldioxide omdat ze onstabiel zijn en niet het niveau van selectiviteit hebben dat nodig is om het kooldioxide effectief in andere chemische producten te recyclen. De bevindingen van dit artikel benadrukken een nieuwe methode voor het maken van een elektrokatalysator met behulp van koperen nanokubussen die een aantal van deze problemen kan oplossen. Onderzoekers wijzen er ook op dat de methode kan worden aangepast om zowel de selectiviteit te beheersen als de werking van de katalysatoren te verbeteren.

"Onze huidige methode kan een grote verscheidenheid aan organische structuren in de laag introduceren, die kunnen worden betrokken bij het koolstofdioxide-reductieproces om de selectiviteit en efficiëntie te beheersen", zei Kume. "Het kan ook worden gebruikt om het dynamische gedrag van metaalsoorten tijdens katalyse te beheersen, die katalysatoren kunnen ontwikkelen met een lange levensduur en een tolerantie voor onzuiverheden." + Verder verkennen

Onderzoekers fabriceren kobaltkoperkatalysatoren voor methaan op metaal-organisch raamwerk