Elektrokatalys spelar en viktig roll i utvecklingen av ren energi, borttagning av växthusgaser och energilagringsteknik. En studie ledd av forskare från City University of Hong Kong (CityU) fann att enkelväggiga kolnanorör är utmärkta substrat för att förbättra omvandlingen av växthusgaser genom molekylär krökning.
Genom att använda dessa nanorör som stöd för att inducera belastning på en elektrokatalysator kan effektiviteten av koldioxidreduktion till metanol förbättras avsevärt.
Detta genombrott öppnar vägar för att utveckla krökta molekylära elektrokatalysatorer för att effektivt omvandla koldioxid (CO2 ), en av de viktigaste växthusgaserna, till användbara kemikalier och bränslen, vilket minskar koldioxidutsläppen. Verket publiceras i tidskriften Nature Catalysis .
Många molekylära komplex, som koboltftalocyanin (CoPc), är effektiva katalysatorer för CO2 reduktionsreaktion (CO2 RR). Men de minskar främst CO2 till giftig kolmonoxid (CO), utan att ytterligare generera en betydande mängd användbara produkter, såsom metanol. "Därför vill vi utforska potentialen för CoPc utöver CO-produktion", säger professor Ye Ruquan, vid Institutionen för kemi vid City University of Hong Kong (CityU), som ledde forskningen.
Samtidigt är töjning känd för att påverka egenskaperna hos tvådimensionella material, som ofta är i nanometerskalan (nm). "Användningen av krökta substrat, eller stöd, för att inducera lokal spänning är väl etablerad för att modulera egenskaperna hos konventionella skiktade material," förklarade professor Ye.
"Men rationell kontroll av stammen av plana molekyler är utmanande på grund av deras extremt lilla storlek. Och hur stammen påverkar molekylära egenskaper är fortfarande dåligt förstådd."
Tillsammans med sina medarbetare ledde professor Ye ett forskarlag för att undersöka reaktiviteten för molekylära CoPc-katalysatorer på nanometerskala genom att anta stödinducerad stamteknik. De introducerade framgångsrikt kontrollerad stam i molekyler under 2 nm av katalysatorn genom att använda enkelväggiga kolnanorör som stöd.
Krökningen av nanorören på grund av de molekylära interaktionerna inducerar belastning på de katalytiska molekylerna, vilket resulterar i böjning. Genom att använda kolnanorörssubstrat med olika diametrar kan de justera böjningsvinkeln för CoPc-molekyler från 96° (för kolnanorör med en diameter på 1 nm) till 1,5° (för kolnanorör med en diameter på 100 nm).
Jämfört med traditionella plana molekyler uppvisade de krökta molekylerna förbättrad elektrokatalytisk prestanda. De visade högre selektivitet för CO2 reduktion, vilket gynnar produktionen av metanol framför kolmonoxid.
I en tandemflödeselektrolysator med monodispergerad CoPc på enkelväggiga kolnanorör för CO2 minskning uppnådde teamet en partiell strömtäthet för metanol på mer än 90 mA cm −2 med mer än 60 % selektivitet, vilket innebär att den totala CO2 -till-metanol effektiviteten är 60%. Detta är en betydande förbättring jämfört med befintliga metoder.
Deras analys baserad på teoretiska beräkningar bekräftade att den krökta CoPc på de enkelväggiga kolnanorören förbättrade CO-bindningen, vilket möjliggjorde den efterföljande minskningen av kolmonoxid. Däremot gynnar breda flerväggiga kolnanorör frisättningen av CO.
"Våra fynd visar att kolnanorör är exceptionella stödmaterial för katalysatorer som CoPc. De stora specifika ytareorna av kolnanorör sprider lätt nanopartiklar, undviker agglomeration, och deras höga elektroniska konduktivitet gör dem lovande för elektrokemiska tillämpningar", säger professor Ye.
"Ännu viktigare, vi visade att inducering av molekylär distorsion genom enkelväggiga kolnanorör ger en strategi för att designa högpresterande molekylära elektrokatalysatorer. Detta framsteg lovar att uppnå kolneutralitet, eftersom det kan lagra CO2 och förnybar el som kemisk energi", avslutade han.
Mer information: Jianjun Su et al, Stam ökar aktiviteten hos molekylära elektrokatalysatorer via kolnanorörsstöd, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01005-3
Journalinformation: Naturkatalys
Tillhandahålls av City University of Hong Kong
