Atomiskt dispergerad Co-Cu-legering tillverkad genom in-situ-rekonstruktion av det spår-Co-dopade Cu-metallorganiska ramverket används som katalysator för elektrokemisk CO2 minskning. Co-dopämnena i Cu gynnar *CO-protonering kontra C−C-koppling genom förbättrad *H-adsorption och minskad *CO-täckning, vilket främjar metanselektiviteten. Kredit:Yang Peng (Soochow University)
Världen är starkt beroende av fossila bränslen för att driva sin industri och transporter. Dessa fossila bränslen leder till alltför stora koldioxidutsläpp, vilket bidrar till global uppvärmning och havsförsurning. Ett sätt att minska detta alltför stora koldioxidutsläpp som är skadligt för miljön är genom elektroreduktion av koldioxid till förädlade bränslen eller kemikalier med förnybar energi. Tanken på att använda denna teknik för att producera metan har väckt stort intresse. Forskare har dock haft begränsad framgång med att utveckla effektiva katalysatorer för metan.
En forskargrupp från Soochow University har nu utvecklat en enkel strategi för att skapa katalysatorer av koboltkopparlegeringar som ger enastående metanaktivitet och selektivitet i elektrokatalytisk koldioxidreduktion. Deras forskning publiceras i Nano Research .
Under de senaste 10 åren har forskare gjort betydande framsteg när det gäller att förbättra sin förståelse av katalysatorer och tillämpa kunskapen på deras tillverkning. Men de katalysatorer som har utvecklats har inte varit tillfredsställande för användning med metan, vad gäller selektivitet eller strömtäthet. Trots de stora insikter som forskare har fått, är de strategier de har försökt med att skapa katalysatorer för metan alldeles för dyra för att vara användbara i praktiska tillämpningar.
Soochow University-teamet tittade på metallorganiska ramverk som ett sätt att övervinna de tidigare utmaningarna med att konstruera katalysatorer för metan. "De metallorganiska ramverken har uppfattats som en unik kategori av elektrokemiska reaktionskatalysatorer för reduktion av koldioxid eftersom de erbjuder en avstämbar plattform för att systematiskt förändra metallplatsens koordination, reglera Helmholtz-skiktet och kontrollera mellanprodukternas bindning", säger professor Yang Peng. , Soochow Institute of Energy and Materials Innovations, College of Energy, Soochow University. Helmholtz-skiktet hänvisar till gränsen eller gränssnittet som visas där en elektronisk ledare kommer i kontakt med en jonledare.
Ändå förblir stabiliteten hos metallorganiska ramverk under den elektrolytiska processen en begränsande fråga. Så metalliska organiska ramverk används ofta som den strukturella prekursorn för att erhålla mer robusta katalysatorensembler vid rekonstruktion. I sin forskning utnyttjade teamet det organiska metallramverkets homogent spridda metallcentra. De uppnådde elektrokemiskt reducerade koboltkopparlegeringar som levererar enastående metanaktivitet och selektivitet i elektrokatalytisk koldioxidreduktion. Teamet använde in-situ röntgenadsorptionsspektroskopi och ytförstärkt infraröd spektroskopi med dämpad totalreflektion i utvecklingen av sin strategi.
Teamets studie erbjuder inte bara en användbar strategi för att konstruera elektrokatalytiska koldioxidreduktionskatalysatorer genom elektrokemisk rekonstruktion av organiska bimetalliska ramverk, utan ger också viktiga insikter i styrningen av elektrokatalytiska koldioxidreduktionsvägar på koppar via atomär dopning av 3d-övergångar. Dessa 3d-övergångsmetaller är grundämnena i det periodiska systemet som löper från 22 Ti till 29 Cu (titan till koppar).
Genom att modulera koboltdopningskoncentrationen uppnådde teamet en anmärkningsvärd Faradaic effektivitet på 60 % till metan vid en hög driftströmtäthet.
"Det viktigaste budskapet vi skulle vilja förmedla i det här arbetet är att genom att atomiskt dopa in andra 3D-övergångsmetaller till koppar, även i en liten mängd, kan den elektrokatalytiska koldioxidreduktionsenergin och vägen kontrolleras moduleras", säger Peng.
Som nästa steg vill teamet uppnå bättre stabilitet. De kommer att göra detta genom att testa det katalytiska systemet i en membranelektrodenhet. "Vårt slutmål är att uppnå produktivitet och stabilitet i metanproduktionen i industriell skala och förverkliga resursstarkt utnyttjande av koldioxid på ett grönt sätt", säger Peng. + Utforska vidare
