Блог

Sep 28, 2023

Электровосстановление CO2 с высокой плотностью тока в формиат с наносферами оксида олова

Научные отчеты, том 12,

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 8420 (2022) Цитировать эту статью

3298 Доступов

6 цитат

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании мы демонстрируем трехмерные (3D) полые наносферные электрокатализаторы для конверсии CO2 в формиат с превосходными характеристиками H-ячейки и промышленно значимой плотностью тока в электролизере с мембранным электродом площадью 25 см2. Изменение температуры прокаливания максимизировало производство формиата за счет оптимизации кристалличности и размера составляющих наночастиц SnO2. Наиболее эффективные наносферные катализаторы SnO2 содержали нанокристаллы размером ~ 7,5 нм и обеспечивали фарадеевскую эффективность формиата (FE) 71–81% в диапазоне от -0,9 В до -1,3 В по сравнению с обратимым водородным электродом (RHE) при максимальной парциальной плотности тока формиата 73 ± 2 мА смгео-2 при -1,3 В относительно RHE. Более высокие характеристики наносферных катализаторов по сравнению с наночастицами SnO2 и коммерчески доступными катализаторами можно объяснить их исходной структурой, обеспечивающей более высокую электрохимическую площадь поверхности и предотвращающей обширный рост нанокристаллов во время восстановления CO2. Наши результаты являются одними из самых высоких показателей, зарегистрированных для электрокатализаторов SnO2 в водных H-ячейках. Мы наблюдали средний КЭ 68 ± 8% за 35 часов работы с несколькими циклами включения/выключения. Измерения комбинационного рассеяния света in situ и зависимые от времени измерения рентгеновской дифракции идентифицировали металлический Sn как электрокаталитические активные центры во время длительной эксплуатации. Дальнейшая оценка в электролизерной ячейке площадью 25 см2 продемонстрировала впечатляющие характеристики с устойчивой плотностью тока 500 мА см·гео-2 и средним содержанием формиата FE в течение 24 часов работы. Наши результаты предоставляют дополнительные концепции проектирования для повышения производительности катализаторов, производящих формиаты.

Электрохимическое восстановление CO2 (CO2RR) с использованием возобновляемых источников энергии является привлекательным подходом к производству углеродно-нейтрального химического сырья и топлива. Муравьиная кислота (HCOOH), часто получаемая электрохимическим способом в виде формиата (HCOO-), является привлекательным продуктом CO2RR благодаря ее широкому использованию в сельскохозяйственной, химической и фармацевтической промышленности1,2,3,4. Муравьиная кислота/формиат также была идентифицирована как новое топливо для топливных элементов5,6, жидкого носителя водорода с высокой объемной емкостью (53 г H2 на литр)7,8, а также для приложений по обновлению биомассы9. Промышленное производство муравьиной кислоты из прекурсоров ископаемого топлива является чрезвычайно углеродоемким2, но электрохимическое преобразование CO2 в формиат с последующей электродиализной очисткой в ​​муравьиную кислоту10 может обеспечить углеродно-нейтральный или углеродоотрицательный путь производства этого универсального химического вещества.

Материалы на основе олова являются одними из наиболее эффективных электрокатализаторов CO2RR для производства муравьиной кислоты/формиата11,12,13,14,15,16,17,18. Однако характеристики большинства катализаторов на основе олова по-прежнему недостаточны для практического применения из-за низких плотностей тока (обычно 10 ~ 25 мА см гео-2 в водных H-ячейках; таблица S1), высоких перенапряжений и плохой долговременной стабильности11. 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Таким образом, необходимы дальнейшие усилия по разработке катализатора и его демонстрация в устройствах с полноячеечным электролизером для ускорения конверсии CO2 в формиат, повышения эффективности и проверки работы с высокой плотностью тока в реалистичных архитектурах устройств.

CO2RR обладает высокой структурной чувствительностью, и значительные усилия были направлены на улучшение характеристик путем контроля морфологии катализатора, размеров, размера, состава, кристаллографической ориентации, структуры поверхности или дефектов11,25,26,27,28. Например, включение второго металла, такого как Cu, Pd или Ni, в Sn может настроить селективность Sn по CO2RR по CO с 80–90% фарадеевской эффективностью (FE)29,30,31, в то время как In, Bi и Pd могут значительно улучшают как селективность муравьиной кислоты, так и плотность тока при более низком перенапряжении32,33,34,35. Управление наноразмерной структурой поверхности может также регулировать долю низкоскоординированных угловых, краевых и террасных участков в катализаторах, которые сильно влияют на адсорбцию и активацию CO2, а также на образование ключевых промежуточных продуктов19,36,37. Трехмерность (3D) является еще одним соображением при проектировании электрокатализатора CO2RR, и в отчетах описываются морфологии катализатора CO2RR, собранные из наноразмерных строительных блоков, включая сферы, цветы, листы, дендриты, пористые пены, инверсные опалы и другие12,13,14,15. 16,17,18,30,35,38,39,40,41,42,43. Эти 3D-структуры могут иметь большую площадь поверхности и высокую плотность электрокаталитических активных центров, что может улучшить плотность тока12,13,14,15,16,27,35,39,40,42. С этой точки зрения, высокопроизводительные электрокатализаторы SnO2 могут быть разработаны путем объединения концепций трехмерной морфологии, структуры поверхности и контроля размера для улучшения плотности тока и селективности по формиатам.