Minska utsläpp och effektivt utnyttjande (fixering) av koldioxid (CO ₂ ) är globala frågor för att förhindra global uppvärmning. Att främja användningen av förnybar energi är effektivt för att minska koldioxidutsläppen ₂ utsläpp. Dock, eftersom det finns stora tidsberoende fluktuationer och stora regionala skillnader i produktion av förnybar energi, det är nödvändigt att etablera en fixeringsteknik för att möjliggöra effektiv energitransport och lagring. Således, det finns ett ökande intresse för teknik för syntetisering av användbara kemikalier från CO ₂ använder el från förnybar energi. Särskilt, myrsyra lockar stor uppmärksamhet som energibärare (väte) eftersom den är flytande och giftfri vid rumstemperatur. Inrättandet av denna teknik kommer att bidra till effektiv transport och lagring av förnybar energi och till fixering av koldioxid ₂ , och tillåter energilagring med hög miljökompatibilitet.

Vid den elektrokemiska minskningen av CO ₂ , det är känt att myrsyra kan erhållas med en Faradic -effektivitet på cirka 50 till 60% med användning av tenn (Sn) som katodkatalysator. Dock, för att utveckla denna teknik för praktisk användning, ytterligare förbättring av Faradic -effektiviteten och en minskning av överpotentialen är nödvändiga. Det finns ett stort aktivt intresse för forskning för att förstå designprinciperna för katalysatorer för att dessa mål ska kunna uppnås.

Den nuvarande forskargruppen under ledning av prof. Tsujiguchi och hans kollegor vid Kanazawa University i samarbete med forskare från University of Tsukuba och Osaka University utarbetade en tenn/reducerad grafenoxid (Sn/rGO) katalysator där Sn fick stöd för reducerad grafitoxid genom termisk reduktion av tennklorid (SnCl ₂ ) och grafenoxid (GO) erhållen genom att oxidera grafitpulver med användning av den förbättrade Hummers -metoden. I den sålunda framställda katalysatorn Sn dispergeras enhetligt i rGO -skiktet, och kompositen staplas för att bilda en 3D-morfologi, dvs rGO/Sn/rGO.

Denna katalysator kännetecknas som en bärare med funktionell grupp innehållande en mycket större mängd syre än den tenn/grafitkatalysator som används för en jämförelse. När vi utförde den elektrokemiska reduktionen av CO ₂ med användning av dessa katalysatorer med CO ₂ löst i en lösning av kaliumvätekarbonat (KHCO ₃ ), det visade sig att Sn/rGO -katalysatorn signifikant minskade överpotentialen och tillät en hög strömtäthet att erhållas jämfört med Sn -katalysatorn. Dessutom, när minskningen av CO ₂ utfördes med konstant potential, nästan inga andra produkter än myrsyra, som H. ₂ och CO, upptäcktes och vi lyckades erhålla myrsyra med en Faradic -effektivitet på 98% (1,8 gånger den med Sn -katalysator enbart).

Anledningen till den mycket effektiva myrsyraproduktionen som erhålls med hjälp av Sn/rGO -katalysator är dess höga CO ₂ adsorptionskapacitet. Sn/rGO kan adsorbera fyra gånger så mycket CO ₂ som Sn -katalysator ensam. Ytterligare, CO -hastigheten ₂ adsorptionen är åtta gånger den för Sn -katalysatorn ensam. Beräkningskemi förutspådde att denna höga CO ₂ adsorptionskapacitet skulle bero på de oxiderade funktionella grupperna av rGO och att produktionen av väte och kolmonoxid skulle undertryckas eftersom CO ₂ adsorberas av den oxiderade funktionella gruppen av rGO levereras snabbt och effektivt till den intilliggande Sn -ytan.

För att experimentellt bekräfta denna mekanism, vårt team försökte elektrokemisk avbildning av den katalytiska aktiviteten med ett skannande elektrokemiskt cellmikroskop. Det avslöjades att en signifikant högre reduktionsströmtäthet observerades vid gränssnittet mellan Sn och rGO än på Sn- eller rGO -ytorna (fig. 3) vilket tyder på att en stor mängd myrsyra syntetiseras på Sn intill rGO, till stöd för ovanstående förutsägelse genom beräkningskemi. Detta är den första experimentella demonstrationen med hjälp av ett svepelektrokemiskt cellmikroskop som myrsyrasyntes aktivt sker vid gränssnittet mellan katalysatorn och bäraren. Således, mer effektiv myrsyra syntes skulle vara möjlig genom att kombinera ett stöd med hög CO ₂ adsorptionskapacitet med en katalysator för elektrokemisk reduktion av CO ₂ . Detta ger en viktig ram som kan tillämpas på alla tillgängliga katalysatorer hittills.

Resultaten av föreliggande studie ger ny insikt i utvecklingen av katalysatorer för myrsyrasyntes genom minskning av CO ₂ , och dramatiska framsteg förväntas i utvecklingen av myrsyra syntes teknik genom elektrokemisk minskning av CO ₂ . Dessutom, vi har visat en förbättring av selektiviteten på grund av det utmärkta CO ₂ adsorptionskapacitet hos stödet samt belysning av dess reaktionsmekanism. Detta bör ha stor inverkan på elektrokemisk reduktionsteknik relaterad till CO ₂ , inklusive syntes av metanol, metan och olefiner. Därför, den har potential att vara en användbar grundteknik vid syntes av kemikalier från CO ₂ . I framtiden, vi förväntar oss att utvecklingen av elektrokemiska reduktionsceller som använder denna katalysator kommer att uppmuntras, vilket leder till skapandet av energilagringsenheter med hög miljökompatibilitet som kan bidra till fixering av CO ₂ och främja effektiv användning av förnybar energi.