Upphovsman:CC0 Public Domain
NUS-forskare har upptäckt en ny mekanism för selektiv elektrokemisk reduktion av koldioxid (CO 2 ) till etanol med användning av koppar-silver (Cu-Ag) kompositkatalysatorer.
Elektrokemisk reduktion av CO 2 till bränslen och kemikalier, när den drivs av förnybar el, är ett steg framåt för att minska koldioxidutsläppen. Koppar (Cu) material är utvalda katalysatorer för denna process eftersom de har den högsta elektrokemiska aktiviteten mot flerkolprodukter. Dock, deras selektivitet mot etanol (C 2 H 5 ÅH), ett värdefullt bränsle och kemiskt råmaterial, är alltid lägre än mot eten (C 2 H 4 ). Preferensen för produktion av eten jämfört med etanol härrör från CO -dimeriseringsmekanismen för att producera C 2 molekyler från CO 2 , där bildningen av eten, som har en lägre energibarriär, gynnas framför etanol.
En forskargrupp ledd av Prof Yeo Boon Siang, Jason från Institutionen för kemi vid NUS, i samarbete med ett team som leds av Dr. Federico Calle-Vallejo från University of Barcelona, har visat att en tillströmning av CO -molekyler, tillhandahålls av silver (Ag) co-katalysatorer, aktiverar en annars låst mekanistisk väg på Cu som omvandlar CO 2 gas till etanol.
Grafer som visar hur ökningen av produktionen av etanol (grön) och eten (blå) på koppar-silver (Cu-Ag) kompositer varierar med olika (a) Ag/Cu-förhållanden och (b) Ag-partikelstorlekar. En femfaldig förbättring observerades för etanol, medan eten inte påverkades nämnvärt. (c) Energinivådiagram som visar CO+CO (röd) och CO+CH (orange) kopplingssteg på Cu (111). En lägre barriär krävs för CO+CH-koppling, vilket gör det mer gynnsamt än CO+CO -steget. (d) Schema som visar mekanismen för CO2-reduktion till etanol på Cu-Ag-kompositer via CO+CH-koppling. Kredit:ACS Catalysis
En serie Cu-Ag-kompositkatalysatorer, tillverkad av en blandning av oxidhärledda Cu nanotrådar och Ag-pulver, testades för deras elektrokemiska CO 2 reduktionsaktiviteter. Under CO 2 minskning, Ag omvandlar CO 2 till CO och dessa CO -molekyler migrerar till de aktiva Cu -ställena för ytterligare reduktion till kolväten (eten) och alkoholer (etanol). Forskarna varierade Ag/Cu-förhållandet och Ag-partikelstorlekarna i kompositerna för att öka CO-inflödet från Ag till de aktiva platserna på Cu-materialet. De experimentella resultaten visade att det ökade CO-inflödet ökade produktionen av etanol med upp till fem gånger, med liten inverkan på etenproduktionen. Teoretiska simuleringar av reaktionsmekanismen visar att istället för CO+CO-steget som resulterar i etenbildning, CO+CH x Steget var det dominerande C-C-bindningssteget vid Cu-Ag-gränsytan. Etanol var den enda produkten när reaktionen fortskrider genom CO+CH x steg, som visade sig förekomma på aktiva ställen som skilde sig från de som underlättade etenbildning via CO+CO-steget.
Ytterligare planer som härrör från detta fynd av forskargruppen inkluderar att maximera de aktiva platserna genom katalysatordesign och uppskalad produktion med en hög genomströmningscellkonfiguration.
Prof Yeo sa, "Konceptet att en tidigare stängd väg kan öppnas genom en tillströmning av mellanprodukter, som visas i detta arbete, öppnar nya möjligheter att avslöja nya syntetiska mekanismer som tidigare kanske varit otillgängliga."
