_ Nanotuburile de carbon curbate îmbunătățesc electrocatalizatori pentru neutralitatea carbonului

Electrocataliza joacă un rol vital în dezvoltarea tehnologiilor de energie curată, de eliminare a gazelor cu efect de seră și de stocare a energiei. Un studiu coordonat de cercetătorii de la Universitatea City din Hong Kong (CityU) a descoperit că nanotuburile de carbon cu un singur perete sunt substraturi excelente pentru îmbunătățirea conversiei gazelor cu efect de seră prin curbura moleculară.

Folosind aceste nanotuburi ca suport pentru inducerea deformarii. pe un electrocatalizator, eficiența reducerii dioxidului de carbon la metanol poate fi îmbunătățită semnificativ.

Această descoperire deschide căi pentru dezvoltarea de electrocatalizatori moleculari curbati care să transforme eficient dioxidul de carbon (CO2), unul dintre gazele cheie cu efect de seră, în substanțe chimice și combustibili utili, reducând astfel emisiile de carbon. Lucrarea este publicată în revista Nature Catalysis.

Multe complexe moleculare, cum ar fi ftalocianina de cobalt (CoPc), sunt catalizatori eficienți pentru reacția de reducere a CO2 (CO2RR). Cu toate acestea, ele reduc în primul rând CO2 la monoxid de carbon otrăvitor (CO), fără a genera în continuare o cantitate substanțială de produse utile, cum ar fi metanolul. „Prin urmare, dorim să explorăm potențialul CoPc dincolo de producția de CO”, a spus profesorul Ye Ruquan, de la Departamentul de Chimie de la Universitatea City din Hong Kong (CityU), care a condus cercetarea.

La în același timp, se știe că deformarea afectează proprietățile materialelor bidimensionale, care sunt adesea la scara nanometrilor (nm). „Utilizarea substraturilor curbate, sau suporturilor, pentru a induce deformarea locală este bine stabilită pentru modularea proprietăților materialelor stratificate convenționale”, a explicat profesorul Ye.

„Dar controlul rațional al tulpinii moleculelor plane este o provocare. datorită dimensiunii lor ultra-mice. Și modul în care tulpina afectează proprietățile moleculare rămâne prost înțeles.”

Împreună cu colaboratorii săi, profesorul Ye a condus o echipă de cercetare pentru a investiga reactivitatea catalizatorilor moleculari CoPc la scara nanometrică. prin adoptarea ingineriei de deformare induse de suport. Ei au introdus cu succes tulpina controlată în moleculele de catalizator sub 2 nm, folosind nanotuburi de carbon cu un singur perete ca suport.

Curbura nanotuburilor datorită interacțiunilor moleculare induce presiune asupra moleculelor catalitice, rezultând îndoire. Utilizarea substraturilor de nanotuburi de carbon cu diametre diferite le permite să regleze unghiul de îndoire al moleculelor de CoPc variind de la 96° (pentru nanotuburi de carbon cu diametrul de 1 nm) la 1,5° (pentru nanotuburi de carbon cu diametrul de 100 nm).

Comparativ cu moleculele plane tradiționale, moleculele curbate au prezentat performanțe electrocatalitice îmbunătățite. Ei au arătat o selectivitate mai mare pentru reducerea CO2, favorizând producerea de metanol în detrimentul monoxidului de carbon.

Într-un electrolizor cu flux tandem cu CoPc monodispersat pe nanotuburi de carbon cu un singur perete pentru reducerea CO2, echipa a obținut un curent parțial de metanol. densitate de peste 90 mA cm−2 cu o selectivitate mai mare de 60%, ceea ce înseamnă că eficiența totală a CO2-metanol este de 60%. Aceasta este o îmbunătățire semnificativă față de metodele existente.

Analiza lor bazată pe calcule teoretice a confirmat că CoPc curbat de pe nanotuburile de carbon cu un singur perete a îmbunătățit legarea CO, permițând reducerea în consecință a monoxidului de carbon. În schimb, nanotuburile de carbon largi cu pereți multipli favorizează eliberarea de CO.

„Descoperirile noastre arată că nanotuburile de carbon sunt materiale suport excepționale pentru catalizatori precum CoPc. Suprafețele mari specifice ale nanotuburilor de carbon dispersează ușor nanoparticulele, evitând aglomerarea, iar conductivitatea lor electronică ridicată le fac să fie promițătoare pentru aplicații electrochimice”, a spus profesorul Ye.

„Mai important, am arătat că inducerea distorsiunii moleculare prin nanotuburi de carbon cu un singur perete oferă o strategie pentru proiectarea de electrocatalizatori moleculari de înaltă performanță. Acest progres este promițător pentru atingerea neutralității carbonului, deoarece poate stoca CO2 și surse regenerabile. electricitatea ca energie chimică”, a conchis el.

(Fluierul)