Разработка новых катализаторов электровосстановления углекислого газа

11 августа 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

рецензируемое издание

корректура

Университетом науки и технологий Китая

Являясь важнейшей частью технологии улавливания, использования и хранения углерода (CCUS), реакция восстановления CO2 (CO2RR) с использованием углеродного топлива и химикатов открывает широкие перспективы применения в хранении возобновляемой энергии и отрицательных выбросах CO2.

Недавно группа под руководством профессора Сун Ли и младшего научного сотрудника Хэ Цюня из Национальной лаборатории синхротронного излучения Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук (CAS) выдвинула новое понимание механизма CO2RR на одноатомных позициях никеля (Ni). Их исследование под названием «Асимметричные одноатомные центры никеля, координированные азотом для эффективного электровосстановления CO2» было опубликовано в журнале Nature Communications.

Идеальный катализатор CO2RR требует низкого перенапряжения и высокой плотности тока для продуктов. Однако первые катализаторы либо характеризуются высокой стоимостью и низкой плотностью тока, такие как золото (Au) и серебро (Ag), обычно демонстрируют гораздо более высокие перенапряжения, чем Au и Ag, такие как Fe, Co или Ni, что ограничивает эффективность реакции.

Поэтому крайне важно разработать катализаторы на основе 3D-металлов с низким перенапряжением и высокой плотностью тока, чтобы заменить катализаторы из драгоценных металлов для CO2RR. Чтобы решить эти проблемы, исследователи предложили асимметричный одноатомный никелевый катализатор, координируемый динитром (Ni-NC). За счет использования ненасыщенных и асимметричных характеристик сайтов достигается структурная самооптимизация во время электрохимического процесса, тем самым повышая внутреннюю активность сайтов в CO2RR.

В ходе исследования команда разработала и синтезировала Ni-NC с динитрогенной координацией (пиридиновый и пиррольный азот), а затем использовала его для реакций электровосстановления CO2 в нейтральных и щелочных средах. Спектры рентгеновского поглощения и эмиссии синхротронного излучения выявили локальную координационную структуру Ni-центров в катализаторе. Результаты электрохимических испытаний показали, что катализатор Ni-NC может достигать очень высоких электрохимических характеристик как в нейтральных (ячейка H-типа), так и в щелочных (газодиффузионный электрод, GDE) электролитах.

Особенно в щелочных условиях катализатор может достигать парциальной плотности тока CO 20,1 мА см гео-2 при -0,15 В по сравнению с обратимым водородным электродом (VRHE), эффективность Фарадея более 90% для CO в диапазоне потенциалов от -0,15 до -. 0,9 VRHE и высокая частота оборотов (TOF) более 274 000 сайтов-1 час-1 при -1,0 VRHE, что превосходит большинство известных катализаторов.

Это исследование предлагает новое понимание роли катализатора в реакции электровосстановления CO2 и обещает пролить новый свет на будущие технологии восстановления CO2.

Больше информации: Южу Чжоу и др., Асимметричные одноатомные центры никеля, координируемые динитром, для эффективного электровосстановления CO2, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2

Информация журнала:Природные коммуникации

Предоставлено Университетом науки и технологий Китая.