Discovery del catalizzatore di stagno a nanoscala apre la strada alla conversione di CO2 sostenibile

Un team collaborativo della School of Chemistry dell’Università di Nottingham e dell’Università di Birmingham ha sviluppato un catalizzatore realizzato con microparticelle di stagno supportate da una struttura di carbonio nanotest. Le interazioni tra le particelle di stagno e le nanofibre di carbonio grafitizzate svolgono un ruolo fondamentale nel trasferimento di elettroni dall’elettrodo di carbonio a CO₂ Molecole – Un passo essenziale per la conversione di CO₂ in formare sotto un potenziale elettrico applicato.

I risultati di questa ricerca sono pubblicati in ACS Applicato materiali energeticiA Journal of American Chemical Society che pubblica ricerche interdisciplinari sui materiali per applicazioni energetiche.

Co₂ è il principale contributo al riscaldamento globale. Mentre co₂ Possono essere convertiti in prodotti utili, i metodi termici tradizionali si basano in genere su idrogeno provenienti da combustibili fossili. Pertanto, è essenziale sviluppare metodi alternativi come l’elettrocatalisi, che utilizza fonti di energia sostenibili, come il fotovoltaico e l’energia eolica, nonché l’abbondante disponibilità di acqua come fonte di idrogeno.

In elettrocatalisi, l’applicazione di un potenziale elettrico al catalizzatore guida gli elettroni attraverso il materiale per reagire con CO₂e acqua, producendo composti preziosi. Uno di questi prodotti, formati, è ampiamente utilizzato nella sintesi chimica di polimeri, prodotti farmaceutici, adesivi e altro ancora. Per un’efficienza ottimale, questo processo deve funzionare a basso potenziale mantenendo l’alta densità e selettività di corrente, garantendo un uso efficace degli elettroni per convertire CO₂ ai prodotti desiderati.

La dott.ssa Madasamy Thangamuthu, ricercatore presso l’Università di Nottingham ha co-guidato il team di ricerca, ha dichiarato: “Un elettrocatalizzatore di successo deve fortemente legarsi al CO₂ molecola e iniettano efficiente elettroni per rompere i suoi legami chimici. Abbiamo sviluppato un nuovo tipo di elettrodo di carbonio che incorpora nanofibre grafitizzate con una trama in nanoscala, con superfici curve e bordi a gradini, per migliorare l’interazione con le particelle di stagno “.

Tom Burwell, un assistente di ricerca presso l’Università di Nottingham, ha intrapreso il lavoro mentre studiava al Center for Doctorial Training in Chimica sostenibile. Ha sviluppato l’approccio e ha svolto il lavoro sperimentale, ha affermato: “Possiamo valutare le prestazioni del catalizzatore misurando la corrente elettrica consumata dal reacting co₂ molecole. In genere, i catalizzatori si degradano durante l’uso, con conseguente riduzione dell’attività. Sorprendentemente, abbiamo osservato che la corrente che scorre attraverso la stagno sul carbonio nanotexato è aumentata continuamente di oltre 48 ore. L’analisi dei prodotti di reazione ha confermato che quasi tutti gli elettroni sono stati utilizzati per ridurre il CO₂ per formare, aumentare la produttività di un fattore di 3,6 mantenendo quasi il 100% di selettività. “

I ricercatori hanno collegato questa auto-ottimizzazione alle microparticelle di stagno che si rompono in nanoparticelle, piccole di 3 nm, durante il CO₂ Reazione di riduzione. Tom Burwell ha elaborato: “Usando la microscopia elettronica, abbiamo scoperto che le particelle di stagno più piccole hanno raggiunto un migliore contatto con il carbonio nanotexato dell’elettrodo, migliorando il trasporto di elettroni e aumentando il numero di centri di stagno attivo quasi dieci volte”.

Questo comportamento trasformativo differisce in modo significativo rispetto agli studi precedenti, in cui i cambiamenti strutturali nei catalizzatori sono spesso visti come dannosi. Invece, il supporto attentamente ingegnerizzato nel catalizzatore sviluppato dal team di Nottingham consente l’adattamento dinamico di stagno e prestazioni migliorate.

Il professor Andrei Khlobystov, School of Chemistry, University of Nottingham, ha dichiarato: “CO₂ non è solo un noto gas serra, ma anche una preziosa materia prima per la produzione di sostanze chimiche. Di conseguenza, la progettazione di nuovi catalizzatori da materiali abbondanti come carbonio e stagno è vitale per il CO sostenibile₂ conversione e raggiungimento dell’obiettivo delle emissioni nette del Regno Unito. I nostri catalizzatori devono anche rimanere attivi in ​​uso esteso per garantire il miglior valore “.

Questa scoperta segna un cambio di passo nella comprensione della progettazione dei supporti per l’elettrocatalisi. Controllando con precisione l’interazione tra i catalizzatori e i loro supporti in nanoscala, il team ha gettato le basi per catalizzatori altamente selettivi e stabili per convertire CO₂ in prodotti preziosi.

Questo lavoro è finanziato dal programma EPSRC Grant ‘Atomi metallici su superfici e interfacce (MASI) per un futuro sostenibile’ che è destinato a sviluppare materiali catalizzatori per la conversione di tre molecole chiave – anidride carbonica, idrogeno e ammoniaca economia e ambiente. I catalizzatori MASI sono realizzati in modo atomo efficiente per garantire l’uso sostenibile di elementi chimici senza esaurire le forniture di elementi rari e rendere la maggior parte degli elementi abbondanti della Terra, come i metalli di carbonio e base.