Det organiska skiktet som odlats på nanokub av kopparoxid förbättrade CO2-reduktionsselektiviteten för Cu-arter som lindades av den, och bibehöll också sin kubiska struktur under katalys. Kredit:Shoko Kume, Hiroshima University
När behovet av att mildra klimatförändringarna ökar, försöker forskare hitta nya sätt att minska koldioxidutsläppen. En process, som kallas elektrokemisk reduktion eller elektrolys, använder elektricitet och en katalysator för att omvandla koldioxid till organiska produkter som kan användas på andra sätt. Till skillnad från omvandling mellan vatten och väte kan kemisk återvinning av koldioxid producera olika användbara produkter eftersom kol kan utveckla stora variationer av organiska strukturer.
Ett sätt att uppnå elektrokemisk reduktion av koldioxid använder mycket små bitar av koppar. Även om kopparmetall i bulk har känt till att omvandla koldioxid till olika organiska molekyler, kan dessa små kopparbitar ytterligare förbättra den katalytiska aktiviteten, inte bara genom att dess yta ökar utan också genom den unika elektroniska strukturen hos koppar som uppstår vid nanostorlek.
I en artikel publicerad i Chemical Communications den 23 juni förklarar forskare en process för att förbättra hur kopparnanokuberna omvandlar koldioxid genom att förbättra deras selektivitet. Selektivitet avser förmågan hos en katalysator att producera en önskad produkt framför oönskade biprodukter.
"Den senaste utvecklingen av koldioxidreduktion med användning av kopparelektrokatalysatorer kan omvandla gasen till kolväten och alkohol, men selektiviteten hos olika kopparrelaterade elektrokatalysatorer som utvecklats hittills är fortfarande svårfångade, eftersom de tenderar att förlora aktivitet genom strukturell omorganisation under katalysen", säger han. Shoko Kume, docent vid Graduate School of Advanced Science and Engineering vid Hiroshima University i Japan.
Forskare upptäckte att detta problem kan lösas genom att odla ett organiskt lager ovanpå nanokuberna. Först sattes ett par monomerer till nanokuben av kopparoxid. Dessa monomerer var bundna av kemin på kopparoxid och ett jämnt organiskt lager växte på ytan av kuberna.
Detta nya organiska skikt hjälper till att förbättra selektiviteten för reduktion av koldioxid, delvis på grund av att koldioxid har dålig löslighet och det organiska skiktet som forskarna producerade har hydrofoba egenskaper, vilket innebär att det stöter bort överdrivet vatten, från vilket oönskat väte produceras. "Inpackningen förbättrade koldioxidreduktionen av kopparn under detta organiska skikt genom att undertrycka väteutvecklingen, och bibehöll även den kubiska strukturen under hela katalysatordriften", sa Kume.
En annan viktig faktor för att förbättra kvaliteten på det organiska skiktet var temperaturen vid tidpunkten för tillväxten, med de bästa resultaten vid rumstemperatur. Under de bästa förhållandena är skiktet platt med en tjocklek på flera molekyler. Även det tunna skiktet tränger lätt igenom koldioxid och låter den inslagna kopparn genomgå elektroreduktion, vilket skyddar metallerna och hjälper kuberna att behålla sin form.
För närvarande är kopparnanokuber inte allmänt antagna som en metod för koldioxidreduktion eftersom de är instabila och inte har den nivå av selektivitet som krävs för att effektivt återvinna koldioxiden till andra kemiska produkter. Resultaten av detta dokument belyser en ny metod för att skapa en elektrokatalysator med kopparnanokuber som kan lösa några av dessa problem. Forskare påpekar också att metoden kan modifieras för att kontrollera både selektiviteten och förbättra hur katalysatorerna fungerar.
"Vår nuvarande metod kan introducera en mängd olika organiska strukturer i lagret, som kan vara involverade i koldioxidreduktionsprocessen för att kontrollera dess selektivitet och effektivitet", säger Kume. "Det kan också användas för att kontrollera det dynamiska beteendet hos metallarter under katalys, vilket kan utveckla katalysatorer med lång livslängd och en tolerans för föroreningar." + Utforska vidare
