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    Síntesis electroquímica de formato a partir de dióxido de carbono utilizando un catalizador de estaño / óxido de grafeno reducido

    Imagen de microscopio electrónico de barrido (arriba a la izquierda), Imagen de microscopio electrónico de transmisión (arriba a la derecha), características de reducción (abajo a la izquierda) y eficiencia farádica (abajo a la derecha) del catalizador Sn / rGO. Se puede ver que las nanopartículas de Sn de 10-50 nm están uniformemente dispersas en la hoja de óxido de grafeno reducido (arriba a la izquierda y arriba a la derecha). También, el valor absoluto de la densidad de corriente bajo CO 2 el flujo es mayor que el del catalizador convencional (Sn) o el óxido de grafeno soportado por Sn (Sn / GO), y la corriente aumenta a partir de un potencial eléctrico inicial de un valor absoluto más bajo. Por lo tanto, se puede ver que el sobrepotencial se reduce significativamente y que la densidad de corriente aumenta. Además, la eficiencia farádica del formiato es muy alta usando el catalizador Sn / rGO (abajo a la izquierda y abajo a la derecha). Crédito:Universidad de Kanazawa

    Disminuir la emisión y la utilización eficiente (fijación) de dióxido de carbono (CO 2 ) son problemas mundiales para prevenir el calentamiento global. La promoción del uso de energías renovables es eficaz en la reducción de CO 2 emisiones. Sin embargo, Dado que existen grandes fluctuaciones que dependen del tiempo y grandes diferencias regionales en la producción de energía renovable, es necesario establecer una tecnología de fijación que permita un transporte y almacenamiento eficientes de energía. Por lo tanto, Existe un interés creciente en las tecnologías para sintetizar sustancias químicas útiles a partir del CO. 2 utilizando electricidad derivada de energías renovables. En particular, El ácido fórmico atrae mucha atención como portador de energía (hidrógeno) porque es líquido y no es tóxico a temperatura ambiente. El establecimiento de esta tecnología contribuirá al transporte y almacenamiento eficientes de energía renovable y a la fijación de CO 2 , y permitir un almacenamiento de energía con una alta compatibilidad medioambiental.

    En la reducción electroquímica de CO 2 , se sabe que se puede obtener ácido fórmico con una eficacia farádica de aproximadamente 50 a 60% utilizando estaño (Sn) como catalizador de cátodo. Sin embargo, con el fin de desarrollar esta tecnología para un uso práctico, Es necesario seguir mejorando la eficiencia farádica y reducir el sobrepotencial. Existe mucho interés activo en la investigación para comprender los principios de diseño de los catalizadores que permitan alcanzar estos objetivos.

    El presente equipo de investigación dirigido por el profesor Tsujiguchi y sus colegas de la Universidad de Kanazawa, en colaboración con científicos de la Universidad de Tsukuba y la Universidad de Osaka, preparó un catalizador de estaño / óxido de grafeno reducido (Sn / rGO) en el que Sn se apoyó en óxido de grafito reducido por calor reducción de cloruro de estaño (SnCl 2 ) y óxido de grafeno (GO) obtenido oxidando polvo de grafito utilizando el método mejorado de Hummers. En el catalizador así preparado, Sn se dispersa uniformemente en la capa rGO, y el compuesto se apila para formar una morfología tridimensional, es decir, rGO / Sn / rGO.

    Además de la ruta convencional, es decir, CO 2 adsorbido directamente en Sn (Ruta 1), CO 2 adsorbido en los grupos funcionales oxidados de rGO se suministra a Sn (Ruta 2). Crédito:Universidad de Kanazawa

    Este catalizador se caracteriza por ser un portador con un grupo funcional que contiene una cantidad mucho mayor de oxígeno que el catalizador de estaño / grafito usado para una comparación. Cuando realizamos la reducción electroquímica de CO 2 usando estos catalizadores con CO 2 disuelto en una solución de hidrogenocarbonato de potasio (KHCO 3 ), Se encontró que el catalizador de Sn / rGO disminuyó significativamente el sobrepotencial y permitió obtener una alta densidad de corriente en comparación con el catalizador de Sn. Además, cuando la reducción de CO 2 se realizó a un potencial constante, casi ningún producto que no sea ácido fórmico, como H 2 y compañía, se detectaron y logramos obtener ácido fórmico con una eficiencia farádica del 98% (1,8 veces mayor que con el catalizador Sn solo).

    Esquema conceptual de imágenes electroquímicas de Sn / rGO con un microscopio de celda electroquímica de barrido (arriba a la izquierda), características del CO 2 reducción en la superficie rGO, en la superficie Sn, y en la interfaz entre Sn y rGO (arriba a la derecha), topografía bajo microscopio de celda electroquímica (abajo a la izquierda; 1, en la superficie de Sn; 2, en la interfaz entre Sn y rGO; 3, en la superficie rGO) y mapeo de corriente de reducción (abajo a la derecha). Esta figura muestra que CO 2 se reduce de manera eficiente en la interfaz entre Sn y rGO. Crédito:Universidad de Kanazawa

    La razón de la producción de ácido fórmico altamente eficiente obtenida con el catalizador Sn / rGO es su alto contenido de CO 2 capacidad de adsorción. Sn / rGO puede adsorber cuatro veces más CO 2 como catalizador Sn solo. Más lejos, la tasa de CO 2 la adsorción es ocho veces mayor que la del catalizador Sn solo. La química computacional predijo que este alto CO 2 La capacidad de adsorción se debería a los grupos funcionales oxidados de rGO y que se suprimiría la producción de hidrógeno y monóxido de carbono ya que el CO 2 adsorbido por el grupo funcional oxidado de rGO se suministra rápida y eficientemente a la superficie adyacente de Sn.

    Para confirmar experimentalmente este mecanismo, Nuestro equipo intentó obtener imágenes electroquímicas de la actividad catalítica con un microscopio de celda electroquímica de barrido. Se reveló que se observó una densidad de corriente de reducción significativamente mayor en la interfaz entre Sn y rGO que en las superficies de Sn o rGO (Fig.3), lo que sugiere que se sintetiza una gran cantidad de ácido fórmico en Sn adyacente a rGO. en apoyo de la predicción anterior mediante química computacional. Esta es la primera demostración experimental que utiliza un microscopio de celda electroquímica de barrido de que la síntesis de ácido fórmico se produce de forma activa en la interfaz entre el catalizador y el soporte. Por lo tanto, La síntesis de ácido fórmico más eficiente sería posible combinando un soporte con un alto contenido de CO 2 capacidad de adsorción con un catalizador para la reducción electroquímica de CO 2 . Esto proporciona un marco importante que podría aplicarse a todos los catalizadores disponibles hasta ahora.

    Los resultados del presente estudio proporcionan nuevos conocimientos sobre el desarrollo de catalizadores para la síntesis de ácido fórmico mediante la reducción de CO 2 , y se espera un progreso espectacular en el desarrollo de la tecnología de síntesis de ácido fórmico mediante la reducción electroquímica de CO 2 . Además, Hemos demostrado una mejora de la selectividad debido al excelente CO 2 capacidad de adsorción del soporte así como dilucidar su mecanismo de reacción. Esto debería tener un gran impacto en la tecnología de reducción electroquímica relacionada con el CO 2 , incluida la síntesis de metanol, metano y olefinas. Por lo tanto, tiene el potencial de ser una tecnología básica útil en la síntesis de productos químicos a partir de CO 2 . En el futuro, esperamos que se fomente el desarrollo de celdas de reducción electroquímica utilizando este catalizador, conduciendo a la creación de dispositivos de almacenamiento de energía con alta compatibilidad ambiental que pueden contribuir a la fijación de CO 2 y promoción del uso eficiente de energías renovables.


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