(Foco Nanowerk) La capacidad de convertir el dióxido de carbono en productos químicos y combustibles útiles podría ayudar a abordar el aumento del CO atmosférico.2 y al mismo tiempo producir valiosas materias primas industriales. La reducción electroquímica del CO.2 al monóxido de carbono es particularmente atractivo, ya que el CO sirve como componente clave para producir diversas sustancias químicas mediante procesos industriales establecidos como la síntesis de Fischer-Tropsch. Sin embargo, lograr una alta eficiencia y selectividad en CO2 La electrorreducción sigue siendo un desafío debido a varios obstáculos fundamentales. La estabilidad química del CO2 Las moléculas dificultan su transformación, mientras que a menudo predominan reacciones competitivas, en explicit la producción de hidrógeno, en lugar de la deseada formación de CO.
«Para aplicaciones prácticas de CO2 catalizadores de reducción, lograr una alta selectividad en un amplio rango de potencial es esencial, pero sigue siendo un desafío importante», Profesor Jin Kon Kim de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH), le cube a Nanowerk.
Los científicos han explorado varios materiales catalíticos para superar estos desafíos, con átomos metálicos individuales coordinados con átomos de nitrógeno sobre soportes de carbono (MNincógnita/C) mostrando una promesa explicit. Estos catalizadores de un solo átomo maximizan la utilización de átomos metálicos al tiempo que proporcionan una alta selectividad para la producción de CO. Sin embargo, los métodos convencionales para preparar estos catalizadores han dificultado comprender exactamente cómo funcionan.
«La mayoría de los catalizadores de un solo átomo se sintetizan mediante pirólisis a alta temperatura, lo que inevitablemente altera el entorno de coordinación de los sitios activos», explica Kim. «Esto hace que sea difícil analizar cómo las propiedades de soporte afectan el rendimiento de forma aislada».
El equipo de Kim abordó este problema adoptando un enfoque fundamentalmente diferente. En lugar de utilizar un procesamiento a alta temperatura que genera entornos de coordinación mixtos, primero crearon materiales de soporte de carbono con propiedades controladas con precisión y luego unieron moléculas bien definidas que contienen níquel para proporcionar sitios catalíticos uniformes. Este enfoque sistemático les permitió estudiar directamente cómo la estructura y composición del materials de soporte influyen en el rendimiento del catalizador.
Estos hallazgos han sido publicados en Revista de química de materiales A («Diseño racional de soporte de carbono poroso dopado con nitrógeno en catalizadores de un solo átomo para CO eficiente2 electrorreducción»).
Los investigadores descubrieron que tanto la estructura física como las propiedades eléctricas del soporte de carbono desempeñan funciones cruciales pero distintas. El grado de grafitización, que afecta a la conductividad eléctrica, resultó especialmente importante para lograr una alta selectividad de CO a voltajes más bajos. Sin embargo, la capacidad de transportar eficazmente CO2 Las moléculas a través del materials surgieron como un issue aún más crítico para la actividad basic del catalizador.
Al optimizar estas propiedades, el equipo creó un catalizador que mantiene más del 90 % de selectividad para la producción de CO en una amplia gama de voltajes aplicados, una mejora significativa con respecto a los materiales anteriores. El catalizador de mejor rendimiento combinó una grafitización moderadamente alta con una estructura mesoporosa ordenada (poros de 2 a 50 nanómetros de diámetro) y dopaje con nitrógeno.
Una caracterización detallada reveló por qué esta combinación funciona tan bien. La estructura mesoporosa permite que el CO2 moléculas para acceder fácilmente a los sitios activos en todo el materials. El carácter grafítico proporciona una buena conductividad eléctrica para suministrar electrones a la reacción de reducción. Mientras tanto, los átomos de nitrógeno incorporados en la estructura de carbono ayudan a anclar las moléculas del catalizador de níquel en su lugar y al mismo tiempo ajustan sus propiedades electrónicas para favorecer el CO.2 reducción sobre la evolución competitiva del hidrógeno.
De cara al futuro, Kim identifica los desafíos clave que aún quedan: «En el campo de los catalizadores de un solo átomo para CO2 La reducción y la optimización simultánea de las propiedades de los sitios activos y de los soportes sigue siendo significativa. Si bien el soporte puede mejorar las propiedades de transporte de masa y mejorar el rendimiento catalítico basic, la actividad catalítica intrínseca está determinada fundamentalmente por las propiedades del sitio activo».
Los conocimientos adquiridos a partir de este estudio sistemático deberían ayudar a guiar los esfuerzos futuros para desarrollar catalizadores aún más eficaces. La capacidad de mantener una alta selectividad en un amplio rango de voltaje es particularmente importante para posibles aplicaciones industriales. Los principios de diseño claros establecidos para las funciones de porosidad, conductividad y composición química proporcionan una base sólida para futuros avances en la conversión de CO.2 en productos químicos útiles.
Por
Miguel
Berger
– Michael es autor de tres libros de la Royal Society of Chemistry:
Nanosociedad: superando los límites de la tecnología,
Nanotecnología: el futuro es minúsculoy
Nanoingeniería: las habilidades y herramientas que hacen que la tecnología sea invisible
Derechos de autor ©
Nanowerk LLC
¡Conviértete en autor invitado de Highlight! Únase a nuestro gran y creciente grupo de contribuyentes invitados. ¿Acaba de publicar un artículo científico o tiene otros desarrollos interesantes para compartir con la comunidad de nanotecnología? Aquí se explica cómo publicar en nanowerk.com.
