Para la reducción electrolítica de dióxido de carbono (CO2) el cobre (Cu) disperso en materiales 2D exhibe una excelente actividad catalítica. En una publicación en El Diario de Química Física CSe desarrolló un nuevo tipo de catalizador 2D a nanoescala montando grupos de cobre en grafeno de diamante defectuoso.
Estudio: Anclaje de clústeres de Cu sobre grafeno defectuoso para la reducción electrocatalítica de CO2. Crédito: Víctor Josan/Shutterstock.com
Lidiar con el CO en constante aumento2 contenido en la atmósfera
Dióxido de carbono (CO2) es el gas de efecto invernadero más conocido y uno de los principales contribuyentes al drástico cambio climático que ha arrasado en todo el mundo. De ahí la recogida y reciclaje de CO2 en bienes de valor agregado y combustibles es crucial.
CO2 se produce principalmente por la quema de combustibles fósiles y refinerías petroquímicas, así como en las industrias del cemento, hierro y acero. Sin duda, la aportación del CO2 contra el efecto invernadero y el calentamiento global es inigualable.
Un posible enfoque para establecer un ciclo de carbono equilibrado es el uso de CO2 como materia prima que contiene carbono para la producción de valiosas sustancias orgánicas como metanol y metano. CO2 se puede convertir en una gama de materiales a base de carbono mediante procesos como la reducción electroquímica, fotoquímica y biológica.
CO2 La reacción de reducción necesita un catalizador.
El proceso de reducción electroquímica de CO2 muestra buenas velocidades de reacción y CO2 tasas de transformación. Sin embargo CO2 Las moléculas tienen una estructura lineal no polar y son químicamente inertes y termodinámicamente estables. Esta alta estabilidad requiere ajustes extremos de temperatura y presión para el proceso de reducción electroquímica.
CO2 puede activarse mediante el uso de catalizadores adecuados. Entonces, el desarrollo de un CO efectivo2 Se necesita urgentemente un catalizador de reacción de reducción con una excelente especificidad de producto y un sobrepotencial mínimo.
Ventajas de utilizar catalizadores de cobre
Se han explorado varios materiales, incluidos metales de transición, metales nobles y óxidos metálicos, para la catálisis de CO2 reacciones de reducción. El cobre (Cu) es un metal de transición no tóxico, abundante, altamente selectivo y un catalizador eficaz.
Se pueden utilizar diferentes tipos de materiales de cobre para generar oxigenados e hidrocarburos, aplicándose diferentes potenciales. La reacción de reducción electroquímica del CO2 El uso de Cu crudo requiere una sobretensión significativa, lo que hace que el proceso consuma mucha energía.
La serie de pasos de transferencia de electrones acoplados a protones se puede mejorar con éxito modificando la nanoarquitectura basada en cobre, lo que mejora significativamente el rendimiento catalítico.
Los catalizadores de cobre producen una gama más amplia de productos que otros catalizadores basados en metales porque el rendimiento electrocatalítico se ve afectado por el tamaño del grupo y la exposición al aire.
Se sabe que la nanoestructuración superficial y la deposición electroforética controlada son técnicas eficaces para optimizar la estructura del electrocatalizador y ajustar la exposición al aire. Dichos catalizadores podrían resultar adecuados para la producción industrial.
Las plataformas de grafeno pueden mejorar los efectos catalíticos del cobre
Desde el descubrimiento del grafeno, este desafiante material 2D ha sido el foco de investigación en los campos de conversión catalizada y almacenamiento de energía. La conversión controlada de etino a eteno se puede lograr depositando átomos de cobre sobre grafeno de diamante defectuoso.
La fracción expuesta de clusters de Cu y la dureza del compuesto dependen de la estructura característica del enlace cobre-carbono. La transferencia de electrones eficiente puede mejorar el rendimiento catalítico de los sitios de coordinación no saturados.
¿Qué hicieron los investigadores?
En este estudio, el equipo diseñó grupos de cobre que podrían unirse firmemente al grafeno nanodiamante defectuoso. Los átomos de cobre se distribuyeron en materiales 2D y podrían usarse como un CO único2 catalizador de reacción de reducción.
El equipo creía que los procedimientos de prueba permitirían controlar el mecanismo de agregación y la cantidad de grupos de cobre adjuntos en la plataforma de grafeno para cumplir con los requisitos prácticos de fabricación.
Hallazgos importantes
Los grupos de cobre con diferentes números atómicos y mecanismos de interacción dan diferentes productos catalizados. Cu triángulo invertido3/[email protected] y triangular cu4/[email protected] acelera el CO2 Reacción de reducción con sitios activos análogos e intermedios y tendencias de camino casi idénticos.
La capacidad de adsorción de los intermedios de CO* es crucial para la generación de varios CO2 productos de reacción de reducción. CO* tiene poca capacidad para unirse al material catalítico en Cu2/[email protected], y las especies de CO* se descomponen en el peligroso gas monóxido de carbono. En comparación, el CO* tiene una gran capacidad de unión al material catalítico en Cu3/[email protected] y no se despega, lo que lleva a su completa reducción a moléculas orgánicas.
La capacidad de los átomos de oxígeno para combinarse con el material catalítico es crucial para la formación de metanol o metano. El metanol se forma cuando el enlace carbono-oxígeno en el intermedio tiene un potencial de enlace significativo. Al modificar la magnitud del voltaje graduado, se puede reducir la formación de subproductos.
Los investigadores predijeron que este trabajo podría complementar el grupo existente de CO2 Catalizadores, amplían las aplicaciones de los metales de transición soportados por grafeno y ofrecen una variedad de conceptos para el desarrollo de nuevos CO2 Catalizadores para reacciones de reducción.
Relación
Du D, Zhu H. y otros. (2022). Anclaje de clusters de Cu sobre grafeno defectuoso para la reducción electrocatalítica de CO2. El Diario de Química Física C. Disponible en: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpcc.2c03551
