Figur 1. Tillverkningsförfaranden för olika guldnanostrukturer genom närhetsfältsnanomönster (PnP) och galvaniseringstekniker. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
KAIST-forskare utvecklade en tredimensionell (3-D) hierarkiskt porös nanostrukturerad katalysator med koldioxid (CO) 2 ) till kolmonoxid (CO) omvandlingshastighet upp till 3,96 gånger högre än den för konventionella nanoporösa guldkatalysatorer. Denna nya katalysator hjälper till att övervinna de befintliga begränsningarna av masstransporten som har varit en viktig orsak till minskningar av CO 2 omvandlingsfrekvens, har ett starkt löfte om storskalig och kostnadseffektiv elektrokemisk omvandling av CO 2 till användbara kemikalier.
Som CO 2 utsläppen ökar och fossila bränslen utarmas globalt, minska och omvandla CO 2 att rena energi elektrokemiskt har väckt stor uppmärksamhet som en lovande teknik. Särskilt på grund av det faktum att CO 2 reduktionsreaktion sker i konkurrens med väteutvecklingsreaktioner (HER) vid liknande redoxpotentialer, utvecklingen av en effektiv elektrokatalysator för selektiv och robust CO 2 minskningsreaktioner har förblivit en viktig teknisk fråga.
Guld (Au) är en av de mest använda katalysatorerna i CO 2 reduktionsreaktioner, men den höga kostnaden och bristen på Au utgör hinder för kommersiella masstillämpningar. Utvecklingen av nanostrukturer har studerats omfattande som ett potentiellt tillvägagångssätt för att förbättra selektiviteten för målprodukter och maximera antalet aktiva stabila platser, vilket ökar energieffektiviteten.
Dock, nanoporerna i de tidigare rapporterade komplexa nanostrukturerna blockerades lätt av gasformiga CO-bubblor under vattenhaltiga reaktioner. CO-bubblorna hindrade masstransport av reaktanterna genom elektrolyten, vilket resulterar i låg CO 2 konverteringsfrekvenser.
Figur 2. Ovanifrån av svepelektronmikroskopbilder (SEM) av den hierarkiskt porösa guldnanostrukturen (Skala staplar, 3 μm). Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
I studien publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences av USA ( PNAS ) den 4 mars, en forskargrupp vid KAIST ledd av professor Seokwoo Jeon och professor Jihun Oh från institutionen för materialvetenskap och teknik designade en 3-D hierarkiskt porös Au nanostruktur med två olika storlekar av makroporer och nanoporer. Teamet använde proximity-field nanopatterning (PnP) och galvaniseringstekniker som är effektiva för att tillverka 3D välordnade nanostrukturer.
Den föreslagna nanostrukturen, består av sammankopplade makroporösa kanaler 200 till 300 nanometer (nm) breda och 10 nm nanoporer, inducerar effektiv masstransport genom de sammankopplade makroporösa kanalerna samt hög selektivitet genom att producera mycket aktiva stabila platser från många nanoporer.
Figur 3. Schematisk illustration och tvärsnittsvy med den förväntade reaktionsvägen för de hierarkiskt porösa guld- och nanoporösa guldelektroderna. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Som ett resultat, dess elektroder visar en hög CO-selektivitet på 85,8 % vid en låg överpotential på 0,264 V och effektiv massaktivitet som är upp till 3,96 gånger högre än den för avlegerade nanoporösa Au-elektroder.
"Dessa resultat förväntas lösa problemet med massöverföring inom området för liknande elektrokemiska reaktioner och kan tillämpas på ett brett utbud av grön energiapplikationer för effektivt utnyttjande av elektrokatalysatorer, " sa forskarna.
