Селективное электрохимическое восстановление CO2 на вариантном по составу биметаллическом Cu

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13456 (2022) Цитировать эту статью

3336 Доступов

11 цитат

Подробности о метриках

Электрокаталитическое восстановление углекислого газа (CO2RR) в топливо с добавленной стоимостью является многообещающей инициативой по преодолению негативного воздействия CO2 на изменение климата. Однако в большинстве изученных электрокатализаторов игнорируются вредные методы добычи полезных ископаемых, используемые для добычи этих катализаторов в целях достижения высокой производительности. Таким образом, перепрофилирование металлолома для использования в качестве альтернативных электрокатализаторов будет иметь высокую привилегию даже при условии компромисса с высокой производительностью. В данной работе мы продемонстрировали переработку лома латунных сплавов с различным содержанием Zn для конверсии CO2 в оксид углерода и формиат. Сплавы лома были активированы по отношению к CO2RR посредством простого отжига на воздухе и сделаны более селективными по отношению к образованию CO посредством гальванической замены Ag. При гальванической замене на Ag электрокатализаторы на основе латунного лома показали повышенную плотность тока для производства CO с лучшей селективностью в отношении образования CO. Расчеты по теории функционала плотности (DFT) были использованы для выяснения потенциального механизма и селективности катализаторов из лома латуни. в сторону CO2RR. Выяснен центр d-зоны в различных образцах латуни с различным содержанием Zn.

Чтобы смягчить вредные последствия изменения климата, научное сообщество реализует концепцию устойчивого развития, выходящую за пределы планетарных границ. Высокий спрос на энергию привел к чрезмерному потреблению ископаемого топлива и чрезмерным выбросам углекислого газа (CO2)1,2. Чрезмерная добыча полезных ископаемых из-за общего плохого регулирования опутана паутиной экологического и социального вреда3,4. Следовательно, значительная исследовательская работа направлена ​​на отказ от добычи металлов и сжигания ископаемого топлива в пользу более экологически чистых альтернатив5,6. Разработка решения, в котором будут использоваться возобновляемые источники энергии, и создание основы для доступных схем переработки отходов являются ключом к устойчивому будущему7,8.

Таким образом, электрокаталитическая реакция восстановления CO2 (CO2RR) вызвала огромный исследовательский интерес как многообещающий шаг на пути к замыканию углеродного цикла. Несмотря на то, что реакция оказалась сложной, многие исследования продемонстрировали хорошие результаты с использованием широкого спектра электрокатализаторов9,10,11,12,13,14. Основной целью этих исследований является в конечном итоге масштабирование этого процесса, благодаря которому он сможет конкурировать с существующими методами производства энергии. Поэтому принятие решений, направленных на минимизацию как капитальных, так и эксплуатационных затрат, является важным фактором. Что касается последнего, преобразование CO2 непосредственно в высшие углеводороды (C2+) с использованием меди (Cu), предпочтительного катализатора, является сложной задачей. А именно потому, что Cu не является селективным и производит множество углеводородов с низким фарадеевским КПД (ФЭ)15. С промышленной точки зрения предпочтительнее производить один продукт с высоким FE, чем несколько продуктов с низким FE, поскольку это сэкономит затраты на сепарацию. Другая проблема заключается в том, что при преобразовании CO2 непосредственно в CH4 возникают высокие перенапряжения, которые могут стать существенным источником неэффективности16. Технико-экономические модели предполагают, что косвенный путь производства углеводородов посредством угарного газа (CO) может быть более практичным с точки зрения коммерческой жизнеспособности17,18,19. Более того, в хорошо зарекомендовавших себя промышленных процессах, таких как процесс Фишера-Тропша, используется прямое сырье на основе CO20. Таким образом, CO как продукт CO2RR во многих отношениях выгоднее углеводородов.

С другой стороны уравнения, необходимо также учитывать дешевые и распространенные каталитические материалы для минимизации капитальных затрат. Лучшими и стабильно работающими катализаторами производства CO являются Pd, Au и Ag11,21,22. Однако разработка катализатора только из благородных металлов нерентабельна. С другой стороны, латунь широко доступна, дешева и не вызывает никаких экологических проблем. Многие исследования продемонстрировали многообещающие результаты использования латуни в качестве электрокатализатора CO2RR12,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Электрокатализатор на основе металлоорганического каркаса (MOF) с биметаллическими центрами Cu и Zn генерировал CO с 88% FE. Молекула фталоцианина способствовала синергизму между центрами CuN4 и ZnO4 с образованием CO с высокой скоростью32. В другом исследовании наночастицы окисленной латуни, нанесенные на углеродные нанотрубки (УНТ), были синтезированы методом многостадийного прокаливания. Они сообщили о ≈ 50% FE для CO и ≈ 90% FE для синтез-газа33. Несмотря на многообещающие характеристики наночастиц на основе латуни, их масштабирование может быть сложной и дорогостоящей задачей из-за необходимости использования специализированных химикатов и точных методов синтеза. Таким образом, наночастицы не всегда наиболее практичны с промышленной точки зрения34,35. Следовательно, нанопены и структуры производились непосредственно из металлической фольги5,26,27. Стойковик и др. подготовленная бронзовая нанопена посредством высокопотенциальной обработки. Структура состояла из дендритов, которые существенно увеличили шероховатость поверхности, что привело к улучшению CO FE с 35–40% до ≈ 85%36. Однако производство нанопены требует чрезвычайно высоких плотностей тока, что является дорогостоящим бременем, особенно в промышленном масштабе37,38. В связи с этим прямое использование металлолома без необходимости дорогостоящей переработки представляется наиболее экономически эффективной и экологически устойчивой альтернативой. Более того, несмотря на высокую активность различных электрокатализаторов на основе Cu–Zn в CO2RR, влияние их легирования другим металлом на эффективность восстановления CO2 все еще отсутствует39.