Ett gemensamt forskarlag har utvecklat en ny elektrokemisk katalysator som främjar omvandlingen från koldioxid (CO2 ) till eten (C2 H4 ).
Genom gemensamma ansträngningar ledda av professorerna Dae-hyun Nam och Youn-gu Lee från institutionen för energivetenskap och teknik vid DGIST och professor Seo-in Back från institutionen för kemi- och biomolekylär teknik vid Sogang University, har forskargruppen tagit fram en teknologi för att avsevärt förbättra etenproduktionen genom att införliva vitamin C i en koldioxidreduktionskatalysator i ett heterogent system.
Detta är baserat på observationen att närvaron av koldioxid i luften påverkar C-vitaminnivåerna i frukter.
Den elektrokemiska reduktionen av koldioxid vinner erkännande som en grundläggande teknik för "miljövänlig energi". Denna process syftar till att minska koncentrationen av koldioxid i atmosfären samtidigt som den genererar renare källor för framtida energi. Men befintliga elektrokemiska katalysatorer står inför utmaningar när det gäller att uppnå konsekvent katalytisk prestanda under förhållanden med hög strömtäthet.
Denna begränsning hindrar bildningen av den väsentliga mellanprodukten, kolmonoxid, som spelar en avgörande roll vid etenomvandling. Istället tenderar dessa katalysatorer att inducera reaktionen för vätegenerering snarare än koldioxidreduktionsreaktionen.
Därför, för sömlös reduktion av koldioxid, är det viktigt att uppnå stabil bildning av mellanprodukten av kolmonoxid vid hög strömtäthet genom en elektrokemisk katalysator och främja dimerisering där två kolmonoxidmellanprodukter kombineras.
Således tog forskargruppen under ledning av professor Nam vid DGIST fram en metod för att integrera C-vitamins oxidationsreduktionsreaktion i den elektrokemiska reduktionen av koldioxid baserat på fenomenet där C-vitaminhalten i frukter minskar i en miljö med hög koncentration av koldioxid.
Forskargruppen syntetiserade C-vitamin med kvantprickar av grafen och tillverkade en "vitamin C-förstärkande kopparnanowire" genom att kombinera det syntetiserade materialet med koppar. Detta tillvägagångssätt hjälpte till att stabilisera C-vitamin genom nano-inneslutningseffekterna av grafenkvantprickar och möjliggjorde reversibiliteten av oxidationsreduktion.
Dessutom tillförde oxidationsreduktionsreaktionen av vitamin C konsekvent elektroner och protoner till koldioxid, vilket främjade dimeriseringsprocessen och skapade kolmonoxidmellanprodukten. Följaktligen uppvisade den nyutvecklade katalysatorn en 2,9-faldig förbättring av etenproduktionen jämfört med konventionella nanotrådskatalysatorer av koppar.
Dessutom identifierade forskargruppen att C-vitaminet som är begränsat i grafen optimerar integrationen av kolmonoxidmellanprodukt och kopparkatalysator genom Raman-spektroskopisk analys i realtid och datorsimulering. Forskargruppen identifierade också katalysatorns funktionsprincip genom att verifiera att elektroner och protoner kan levereras, vilket underlättar reduktionsreaktionen av koldioxid baserat på en stark vätebindning.
Professor Nam vid DGIST sa:"Denna forskning skapade en elektrokemisk katalysator som kan producera storskalig eten genom att reducera koldioxid och avslöjade en ny reaktionsmekanism. Denna teknik förväntas spela en nyckelroll för att uppnå kolneutralitet genom att omvandla koldioxid —en stor bidragande orsak till den globala uppvärmningen — till en högvärdig förening."
Verket publiceras i tidskriften Nature Communications .
Mer information: Jongyoun Kim et al, Vitamin C-inducerad CO2 capture möjliggör höghastighetsproduktion av eten i CO2 elektroreduktion, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44586-0
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology)
