De wereld is sterk afhankelijk van fossiele brandstoffen voor haar industrie en transport. Deze fossiele brandstoffen leiden tot een overmatige uitstoot van kooldioxide, wat bijdraagt ​​aan de opwarming van de aarde en de verzuring van de oceaan. Een manier om deze buitensporige kooldioxide-emissie, die schadelijk is voor het milieu, te verminderen, is door de elektroreductie van kooldioxide tot brandstoffen of chemicaliën met toegevoegde waarde met behulp van hernieuwbare energie. Het idee om deze technologie te gebruiken om methaan te produceren, heeft brede belangstelling gewekt. Onderzoekers hebben echter beperkt succes gehad bij het ontwikkelen van efficiënte katalysatoren voor methaan.

Een onderzoeksteam van Soochow University heeft nu een eenvoudige strategie ontwikkeld voor het maken van katalysatoren van kobalt-koperlegeringen die uitstekende methaanactiviteit en selectiviteit leveren bij elektrokatalytische kooldioxide-reductie. Hun onderzoek is gepubliceerd in Nano Research .

In de afgelopen 10 jaar hebben wetenschappers opmerkelijke vooruitgang geboekt bij het vergroten van hun begrip van katalysatoren en het toepassen van de kennis op hun fabricage. Maar de ontwikkelde katalysatoren waren niet bevredigend voor gebruik met methaan, in termen van selectiviteit of stroomdichtheid. Ondanks de geweldige inzichten die wetenschappers hebben opgedaan, zijn de strategieën die ze hebben geprobeerd om katalysatoren voor methaan te creëren gewoon te duur om bruikbaar te zijn in praktische toepassingen.

Het team van Soochow University keek naar metalen organische raamwerken als een manier om de eerdere uitdagingen bij het bouwen van katalysatoren voor methaan te overwinnen. "De metalen organische raamwerken zijn gezien als een unieke categorie van elektrochemische kooldioxide-reductiereactiekatalysatoren, omdat ze een afstembaar platform bieden om de coördinatie van de metaalplaats systematisch te veranderen, de Helmholtz-laag te reguleren en controle over de binding van tussenproducten", zei professor Yang Peng , Soochow Institute of Energy and Materials Innovations, College of Energy, Soochow University. De Helmholtz-laag verwijst naar de grens of interface die verschijnt waar een elektronische geleider in contact komt met een ionische geleider.

Toch blijft de stabiliteit van metaalorganische raamwerken tijdens het elektrolytische proces een beperkend probleem. Dus metaal-organische raamwerken worden vaak gebruikt als de structurele voorloper om robuustere katalysatorensembles af te leiden bij reconstructie. In hun onderzoek profiteerde het team van de homogeen verspreide metaalcentra van het metaalorganische raamwerk. Ze bereikten elektrochemisch gereduceerde kobaltkoperlegeringen die een uitstekende methaanactiviteit en selectiviteit leveren bij de elektrokatalytische reductie van kooldioxide. Het team gebruikte in-situ röntgenadsorptiespectroscopie en versterkte infraroodspectroscopie met verzwakte totale reflectie op het oppervlak bij de ontwikkeling van hun strategie.

De studie van het team biedt niet alleen een bruikbare strategie voor het construeren van elektrokatalytische katalysatoren voor koolstofdioxide-reductie door middel van de elektrochemische reconstructie van bimetallische metalen organische raamwerken, maar verschaft ook belangrijke inzichten in de sturing van elektrokatalytische koolstofdioxide-reductieroutes op koper via atomaire dotering van 3D-overgangsmetalen. Deze 3D-overgangsmetalen zijn de elementen in het periodiek systeem vanaf ₂₂ Ti tot ₂₉ Cu (titanium naar koper).

Door de kobaltdoteringsconcentratie te moduleren, bereikte het team een ​​opmerkelijke Faradaïsche efficiëntie van 60% tot methaan bij een hoge bedrijfsstroomdichtheid.

"De belangrijkste boodschap die we in dit werk willen overbrengen, is dat door atomaire dotering van andere 3D-overgangsmetalen in koper, zelfs in een kleine hoeveelheid, de energie en het pad van elektrokatalytische kooldioxide-reductie controleerbaar kunnen worden gemoduleerd," zei Peng.

Als volgende stap wil het team een ​​betere stabiliteit bereiken. Dit doen ze door het katalytische systeem te testen in een membraanelektrodesamenstel. "Ons uiteindelijke doel is om industriële productiviteit en stabiliteit van de methaanproductie te bereiken en het vindingrijke gebruik van koolstofdioxide op een groene manier te realiseren", aldus Peng. + Verder verkennen

Beoordeling van technologieën die het potentieel voor de omzetting van kooldioxide in nuttige producten vergroten