Reducción electrocatalítica de dióxido de carbono (CO2 ) se considera una estrategia eficaz para mitigar la crisis energética y el efecto invernadero. Entre los múltiples productos de reducción, se considera que el CO tiene el mayor valor de mercado, ya que es una materia prima crucial para el proceso Fischer-Tropsch que puede sintetizar hidrocarburos de cadena larga de alto valor.
Dado que la reacción de reducción del dióxido de carbono (CO2 RR) tiene intermediarios complejos y múltiples procesos de transferencia de electrones acoplados a protones, por lo que mejorar la actividad de la reacción y la selectividad de los productos siguen siendo dos grandes desafíos.
Los catalizadores de un solo átomo (SAC) tienen las ventajas de una alta utilización de átomos, una estructura de coordinación sintonizable y un excelente rendimiento catalítico. Además, debido a la estructura electrónica especial del níquel metálico, es más probable que pierda electrones para formar orbitales d externos vacíos y exhiba una alta actividad y selectividad por el CO2. RR para generar CO.
Un equipo de científicos ha resumido los considerables avances de los SAC de Ni en los últimos años. Su trabajo está publicado en Industrial Chemistry &Materials. .
"Diseño de nuevos catalizadores para mejorar la actividad y selectividad del CO2 La GR es crucial para superar el problema de la crisis energética y la contaminación ambiental", afirmó Yuhang Li, profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China, China,
"En esta mini revisión, presentamos tres estrategias utilizadas para mejorar el rendimiento catalítico de los SAC de Ni, incluidas diferentes estructuras de soporte, regulación de la estructura de coordinación y modificación de la superficie. Al final, también resumimos los desafíos existentes de los SAC de Ni y proporcionamos una perspectiva sobre el desarrollo futuro en este campo."
Los SAC reducen el tamaño de los sitios activos a escala atómica y, por lo tanto, obtienen una estructura electrónica extraordinaria, potentes interacciones metal-soporte, átomos metálicos poco coordinados y una máxima utilización de los átomos al mismo tiempo. Por tanto, la aplicación de SAC en CO2 RR podría controlar eficazmente la distribución de productos y aliviar el costo de separación de productos.
"Algunas investigaciones basadas en la teoría del campo cristalino han indicado que las configuraciones electrónicas orbitales d de los metales centrales son importantes para la selectividad y actividad del CO2 RR", dijo Li.
"En el caso del níquel como átomo metálico central, es más probable que forme el orbital d externo vacante para facilitar la transferencia de electrones entre el átomo de C de CO2 y el átomo de Ni. Por lo tanto, el CO2 absorbido Las moléculas se pueden activar eficientemente. Los SAC de Ni también pueden minimizar el potencial de reacción del CO2 -Conversión de CO, que es de gran importancia para mejorar la selectividad hacia el CO."
"Los Ni SAC han logrado un progreso continuo en los últimos años. Desde un punto de vista microscópico, las estrategias de diseño incluyen elegir diferentes sustratos, regular la estructura de coordinación y modificar la superficie del catalizador. La estructura electrónica del centro activo es el factor más crucial que afecta el catalizador. rendimiento", dijo Li.
Todavía existe un enorme potencial para los SAC de Ni en diseños y aplicaciones futuros. La modulación precisa de la microestructura proporciona más sitios activos y, por lo tanto, mejora aún más el rendimiento de los SAC de Ni. La optimización de las celdas electrolíticas y el desarrollo de más tipos de electrolitos pueden ampliar la gama de aplicaciones de Ni SAC y permitir la comercialización a gran escala en el futuro.
Además, los investigadores creen que desarrollar más técnicas in situ para obtener conocimientos más profundos sobre la relación entre la estructura del material y las propiedades puede proporcionar una guía valiosa para diseñar SAC de Ni de mayor valor.
"En esta mini-revisión, nuestro objetivo principal es proporcionar a los lectores el progreso actual de la investigación en SAC de Ni en CO2 RR y mostrar nuestros conocimientos sobre el diseño y la aplicación de catalizadores de un solo átomo", afirmó Li.
El equipo de investigación incluye a Ziyan Yang, Rongzhen Chen, Ling Zhang, Yuhang Li y Chunzhong Li de la Universidad de Ciencia y Tecnología del Este de China.
Más información: Ziyan Yang et al, Progresos recientes en catalizadores de un solo átomo de níquel para la electrorreducción de CO2 al CO, Química y Materiales Industriales (2024). DOI:10.1039/D3IM00109A
Proporcionado por Química y Materiales Industriales
