En schematisk illustration som visar hur N-ND och N-ND/Cu kompositmaterial framställs. Kredit:Wang et al.
För att effektivt motverka klimatförändringar och möta stigande globala energibehov, människor måste drastiskt förändra sina metoder för att generera energi. Nya katalysatorer för en kolneutral omvandling av energi kan vara till stor hjälp för att möta dessa utmaningar, underlätta övergången till användningen av förnybara energikällor.
Elektrolytiska metoder, som omvandlar elektrisk energi till kemisk potentiell energi, är särskilt lovande för utvecklingen av katalysatorer för att minska CO 2 . Dessa tillvägagångssätt är i allmänhet baserade på användningen av vattenhaltiga ämnen som är billiga, lättillgänglig och säker för miljön. Dessutom, de arbetar vanligtvis vid omgivande temperaturer och tryck.
Några av de vanligaste elektrokatalysatorerna som används för att möjliggöra CO 2 reduktionsreaktioner är ädla metaller, oädla metaller, metalloxider, metalldikalkogenider och molekylära katalysatorer. Dessa katalysatorer, såväl som andra testade i tidigare studier, kommer ofta med avgörande begränsningar som förhindrar att de implementeras i stor skala. Till exempel, de kan vara väldigt dyra, samtidigt som den uppvisar låg energieffektivitet och otillfredsställande elektrokemisk stabilitet.
Forskare vid Stanford University har nyligen tagit fram en ny designstrategi som kan hjälpa till att övervinna några av dessa begränsningar, möjliggör tillverkning av selektiva och ändå robusta katalytiska gränssnitt för heterogena elektrokatalysatorer som kan minska CO 2 till C 2 syresätter. Deras tillvägagångssätt för att designa dessa elektrokatalysatorer introducerades och beskrivs i en artikel publicerad av Naturenergi .
"Vi rapporterar en designprincip för skapandet av ett selektivt men ändå robust katalytiskt gränssnitt för heterogena elektrokatalysatorer för reduktion av CO 2 till C 2 syresätter, demonstreras genom rationell inställning av en sammansättning av kvävedopade nanodiamanter (N-ND) och kopparnanopartiklar, " skrev forskarna i sin uppsats.
I deras studie, teamet på Stanford visade i huvudsak hur ett katalytiskt gränssnitt kan sättas samman genom att införliva Cu-nanopartiklar i N-ND, skapa materialet N-ND/Cu. Synergin mellan dessa två sammanslagna komponenter (dvs. Cu och N-ND) visade sig möjliggöra betydande förbättringar i katalysatorernas process av CO 2 till C 2 syreomvandling.
"Katalysatorn uppvisar en faraidisk effektivitet på -63 procent mot C 2 syresätter vid applicerade potentialer på endast -0,5V jämfört med en reversibel väteelektrod, " skrev forskarna i sin uppsats. "Dessutom, denna katalysator visar en oöverträffad ihållande katalytisk prestanda upp till 120h, med konstant ström och endast 19 procents aktivitetsavklingning."
Katalysatorn som utvecklats med hjälp av designprincipen som föreslagits av dessa Stanford-baserade forskare visade sig överträffa befintliga elektrokatalytiska system på flera områden, uppnå en anmärkningsvärt hög aktivitet och selektivitet. Dessutom, den nya designstrategin möjliggör en oöverträffad grad av kontroll över det katalytiska gränssnittet, och följaktligen även över reaktionsenergin och kinetiken.
I framtiden, tillvägagångssättet skulle kunna vägleda utvecklingen av en mängd nya elektrokatalytiska gränssnitt, banar väg för mer effektiva och miljövänliga tekniker för att lagra energi. Dessutom, samma designstrategi bör vara lätt att tillämpa för tillverkning av många katalytiska transformationer, särskilt de som bygger på användningen av förnybara energikällor och lättillgängliga vattenhaltiga ämnen.
© 2020 Science X Network
