Föreslagen möjlig mekanism för den elektrokemiska CO2 RR på (a) Au@Ag NRs och (b,c) asymmetriska AuAgCu NSs. Kredit:Nano Research
Kemister har utvecklat en struktur i nanoskala som kombinerar koppar, guld och silver för att fungera som en överlägsen katalysator i en kemisk reaktion vars förbättrade prestanda kommer att vara avgörande om ansträngningar för avskiljning och utnyttjande av kol ska lyckas hjälpa till att mildra den globala uppvärmningen.
En studie som beskrev processen dök upp i tidskriften Nano Research den 15 mars.
Inför klimatförändringsutmaningen har beslutsfattare under de senaste åren alltmer fokuserat på kolavskiljning och -användning (CCU), där CO2 dras ner från atmosfären och används sedan som råvara för industrikemikalier (som kolmonoxid, myrsyra, eten och etanol) eller för produktion av kolneutrala syntetiska bränslen (särskilt användbart för svårelektrifierade transportsektorer såsom långdistansflyg och sjöfart). Så länge som den sistnämnda processen drivs av ren elektricitet, erbjuder den också ett sätt att lagra förnybar energi på lång sikt – den heliga graalen att övervinna de oregelbundna energialternativen som vind- och solenergi.
Ett möjligt sätt att göra allt detta är via en kemisk reaktion som kallas den elektrokemiska CO2 reduktionsreaktion (eCO2 RR, eller helt enkelt ECR). Detta använder elektricitet för att driva omvandlingen av gasen till andra användbara ämnen genom att separera CO2 s kolatomer från dess syreatomer. Vatten kan också ge väte "donatorer" i vissa varianter av ECR, varvid kolatomerna kombineras med väte för att producera olika arter av kolväten eller alkoholer.
Nyckeln till ECR är att använda rätt katalysator, eller kemisk substans vars struktur och laddning gör det möjligt att starta eller påskynda en kemisk reaktion. Olika olika metaller har använts som katalysatorer beroende på vilken slutprodukt som önskas. Katalysatorer som använder bara en typ av metall inkluderar tenn för att producera myrsyra, silver för kolmonoxid (CO) och koppar för metan, eten eller etanol.
Processens prestanda kan dock begränsas när ECR konkurrerar med tendensen hos väteatomer inom den elektrokemiska uppdelningen av vatten att paras ihop med sig själva istället för att förenas med kolatomerna. Denna konkurrens kan leda till produktion (eller "val") av en annan kemisk slutprodukt än den önskade. Som ett resultat har kemister länge varit på jakt efter katalysatorer med hög "selektivitet".
Nyligen, istället för att bara använda en enda metall som en katalysator, har forskare vänt sig till användningen av heterostrukturer som innehåller två distinkta material vars kombinerade egenskaper ger olika eller överlägsna resultat än något av de enskilda materialen på egen hand.
Några av de heterostrukturer som har testats för ECR inkluderar att kombinera silver och palladium i en grenliknande formation (AgPd "nanodentrites") och olika andra kombinationer av två metaller i sandwichliknande, rörliknande, pyramidformade och andra former. Forskare har haft stor framgång med bimetalliska heterostrukturer som inkluderar koppar – vilket är mycket bra på att omvandla CO2 till produkter som använder två kolatomer. Dessa bimetalliska heterostrukturer inkluderar silver-koppar (AgCu), zink-koppar (ZnCu) och guld-koppar (AuCu), där den sistnämnda åtnjuter särskild selektivitetsframgång för metan, C2 och kolmonoxid.
"Vi trodde att om två metaller gav bra resultat, så kanske tre metaller skulle vara ännu bättre", säger Zhicheng Zhang, en nanokemist vid Tianjin University och medförfattare till studien.
Så forskarna konstruerade en trimetallisk nanostruktur som kombinerade guld, silver och koppar och var asymmetrisk i formen. Formen och det exakta förhållandet mellan de tre metallerna kan ändras via en tillväxtmetod som involverar flera steg. Specifikt syntetiseras guld "nanopyramider" först och används som "frön" för efterföljande tillväxt av olika trimetalliska strukturer som involverar olika förhållanden mellan de tre metallerna.
De upptäckte att som ett resultat av den unika formen av deras heterostrukturdesign och genom att ändra förhållandet mellan dessa tre metaller, kunde de noggrant ställa in selektiviteten mot olika C2 -baserade produkter. Produktion av etanol (C2 H6 O) i synnerhet maximerades genom att använda en heterostruktur där matningsförhållandet involverade en atom vardera av guld och silver kombinerat med fem kopparatomer.
Arbetet anger en lovande strategi för utveckling av andra trimetalliska nanomaterial inom ECR-utveckling. + Utforska vidare
