Elektrokatalytisk reduktion av koldioxid (CO2 ) anses vara en effektiv strategi för att mildra energikrisen och växthuseffekten. Bland de multipelreduktionsprodukterna anses CO ha det högsta marknadsvärdet eftersom det är ett avgörande råmaterial för Fischer-Tropsch-processen som kan syntetisera högvärdiga långkedjiga kolväten.
Sedan koldioxidreduktionsreaktionen (CO2 RR) har komplexa mellanprodukter och flera protonkopplade elektronöverföringsprocesser, vilket förbättrar reaktionsaktiviteten och produktselektiviteten är fortfarande två stora utmaningar.
Enkelatomkatalysatorer (SAC) har fördelarna med hög atomutnyttjande, inställbar koordinationsstruktur och utmärkt katalytisk prestanda. Dessutom, på grund av den speciella elektroniska strukturen hos nickelmetall, är det mer sannolikt att förlora elektroner för att bilda tomma yttersta d-orbitaler och uppvisa hög aktivitet och selektivitet för CO2 RR för att generera CO.
Ett team av forskare har sammanfattat de avsevärda framstegen med Ni SACs under de senaste åren. Deras arbete publiceras i Industrial Chemistry &Materials .
"Designa nya katalysatorer för att förbättra aktiviteten och selektiviteten för CO2 RR är avgörande för att övervinna problemet med energikriser och miljöföroreningar", säger Yuhang Li, professor vid East China University of Science and Technology, Kina,
"I denna minirecension introducerade vi tre strategier som används för att förbättra den katalytiska prestandan hos Ni SAC, inklusive olika strukturer av stöd, reglering av koordinationsstruktur och ytmodifiering. Till slut sammanfattade vi också de befintliga utmaningarna för Ni SAC och gav en syn på framtida utveckling inom detta område."
SAC:er minskar de aktiva platserna till atomär skala och får därför extraordinär elektronisk struktur, kraftfulla metallstödinteraktioner, lågkoordinerade metallatomer och maximalt atomutnyttjande på samma gång. Därför tillämpas SAC i CO2 RR skulle effektivt kunna kontrollera distributionen av produkter och minska kostnaderna för separation av produkter.
"En del forskning baserad på kristallfältsteori har visat att de elektroniska d-orbitala konfigurationerna av centrala metaller har betydelse för selektiviteten och aktiviteten hos CO2 RR," sa Li.
"I fallet med nickel som den centrala metallatomen är det mer sannolikt att det bildas den lediga yttersta d-orbitalen för att underlätta elektronöverföringen mellan C-atomen i CO2 och Ni-atomen. Därför absorberas CO2 molekyler kan aktiveras effektivt. Ni SAC kan också minimera reaktionspotentialen för CO2 -CO-omvandling, vilket är av stor betydelse för att öka selektiviteten mot CO."
"Ni SACs har uppnått kontinuerliga framsteg under de senaste åren. Ur en mikroskopisk synvinkel inkluderar designstrategierna att välja olika substrat, reglera koordinationsstrukturen och modifiera katalysatorytan. Den elektroniska strukturen i det aktiva centret är den mest avgörande faktorn som påverkar katalytiken prestanda", sa Li.
Det finns fortfarande en enorm potential för Ni SAC i framtida konstruktioner och applikationer. Exakt modulering av mikrostrukturen ger mer aktiva platser och förbättrar därför prestandan för Ni SAC:er ytterligare. Optimering av elektrolytcellerna och utveckling av fler typer av elektrolyter kan utöka utbudet av Ni SAC-applikationer och möjliggöra storskalig kommersialisering i framtiden.
Dessutom tror forskare att utveckling av fler in-situ-tekniker för att få djupare insikter i förhållandet mellan materialstruktur och egenskaper kan ge värdefull vägledning för att designa Ni SACs med högre värde.
"I denna minirecension är vårt huvudmål att ge läsarna de aktuella forskningsframstegen inom Ni SACs i CO2 RR och för att visa våra insikter i design och tillämpning av enatomskatalysatorer," sa Li.
I forskargruppen ingår Ziyan Yang, Rongzhen Chen, Ling Zhang, Yuhang Li och Chunzhong Li från East China University of Science and Technology.
Mer information: Ziyan Yang et al, Nyligen framsteg inom enatoms nickelkatalysatorer för elektroreduktion av CO2 till CO, Industriell kemi och material (2024). DOI:10.1039/D3IM00109A
Tillhandahålls av Industrial Chemistry &Materials
