NUS-kemister har upptäckt nyckelfaktorer som bestämmer selektiviteten hos koppar (Cu) katalysatorer för att omvandla koldioxid (CO2) och vatten till användbara kemikalier och bränslen.

Den elektrokemiska minskningen av CO2 med förnybar el är en lovande teknik för att kontrollera CO2-utsläpp och producera kemikalier med högt förädlingsvärde. Genom att tillföra elektroner till en Cu-katalysator, koldioxid- och vattenmolekyler som är fästa på dess yta kan omvandlas till användbara molekyler som metan och eten. Detta liknar fotosyntesprocessen där CO2 och vatten omvandlas av växter till socker.

Att öka selektiviteten för CO2-reduktion mot riktade produkter är en av de viktigaste utmaningarna som måste övervinnas för att göra processen mer industriellt gångbar. Tidigare forskningsarbete för att designa selektiva kopparkatalysatorer har i stor utsträckning fokuserat på nanostrukturering och defektkonstruktion av deras ytor. I det här arbetet, forskargruppen ledd av prof YEO Boon Siang, Jason från Institutionen för kemi, NUS har upptäckt att den pålagda potentialen (elektrisk spänning) och storleken på ström, som till stor del har förbisetts, är nyckelfaktorer som bestämmer selektiviteten hos Cu-katalysatorer i CO2-elektroreduktionsreaktioner. Strömmen som produceras vid en viss elektrisk spänning är också till stor del beroende av Cu-katalysatorernas grovhet. Genom att justera den applicerade spänningen och ytråheten hos en Cu-katalysator, CO2 och vatten kan göras för att gynna produktionen av en specifik kolbaserad förening under den elektrokemiska reduktionsprocessen.

Teamets resultat kan möjliggöra utvecklingen av mer selektiva katalysatorer för att omvandla CO2 till användbara kemikalier och bränslen. Till exempel, genom att ställa in ytråhetsfaktorn för ett Cu-prov till 1,4 och den applicerade spänningen till -1,2 V kontra reversibel väteelektrod (en referenselektrod), selektiviteten för CO2-reduktion till metan kan ökas avsevärt till mer än 60 % (se figur). Denna katalysator är bland de mest selektiva katalysatorerna i det vetenskapliga samfundet för metanbildning. Prestandan hos mer än 20 tidigare rapporterade Cu-baserade katalysatorer analyserades också, och visade sig bekräfta teamets resultat.

Prof Yeo sa, "Vi fann att Cu-katalysatorer härrörde från olika prekursorer, kan vara liknande när det gäller kemisk sammansättning. Dock, deras katalytiska prestanda kan vara mycket olika. Förklaringar som förekomsten av steg, kanter och defekter på katalysatorerna åberopas vanligtvis för att förklara dessa fenomen. Vårt team upptäckte att den tillämpade potentialen och masstransporten av CO2, som påverkas av strömmar, är också kritiska parametrar som påverkar selektiviteten Cu-katalysatorer, och kan inte ignoreras."