Desenvolvimento de novos catalisadores para eletrorredução de dióxido de carbono

11 de agosto de 2023

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pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China

Como parte crucial da tecnologia de captura, utilização e armazenamento de carbono (CCUS), a reação de redução de CO2 (CO2RR) a combustíveis e produtos químicos à base de carbono apresenta amplas perspectivas de aplicação no armazenamento de energia renovável e na emissão negativa de CO2.

Recentemente, uma equipe liderada pelo Prof. Song Li e pelo Pesquisador Associado He Qun do Laboratório Nacional de Radiação Síncrotron da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) apresentou uma nova compreensão do mecanismo de CO2RR nos sítios atômicos únicos de níquel (Ni). Seu estudo, intitulado "Sítios Atômicos Únicos de Níquel Coordenados por Dinitrogênio Assimétrico para Eletrorredução Eficiente de CO2", foi publicado na Nature Communications.

Um catalisador CO2RR ideal requer baixo sobrepotencial e alta densidade de corrente para os produtos. No entanto, os primeiros catalisadores são caracterizados por alto custo e baixa densidade de corrente, como ouro (Au) e prata (Ag), geralmente exibem sobrepotenciais muito mais elevados do que Au e Ag, como Fe, Co ou Ni, limitando a eficiência da reação.

Portanto, é imperativo desenvolver catalisadores abundantes à base de metal 3D com excesso de potencial, baixa densidade de corrente e alta densidade de corrente para substituir catalisadores de metais preciosos para CO2RR. Para enfrentar esses desafios, os pesquisadores propuseram um catalisador de átomo único de níquel coordenado por dinitrogênio assimétrico (Ni-NC). Ao utilizar as características insaturadas e assimétricas dos sítios, é alcançada a auto-otimização estrutural durante o processo eletroquímico, aumentando assim a atividade intrínseca dos sítios no CO2RR.

No estudo, a equipe projetou e sintetizou Ni-NC com coordenação de dinitrogênio (nitrogênio piridínico e pirrólico) e então o utilizou para reações de eletrorredução de CO2 em meios neutros e alcalinos. Os espectros de absorção de raios X e os espectros de emissão da radiação síncrotron revelaram a estrutura de coordenação local dos sítios de Ni no catalisador. Os resultados dos testes eletroquímicos mostraram que o catalisador Ni-NC pode atingir um desempenho eletroquímico muito alto em eletrólitos neutros (célula tipo H) e alcalinos (eletrodo de difusão de gás, GDE).

Especialmente em condições alcalinas, o catalisador pode atingir uma densidade de corrente parcial de CO de 20,1 mA cmgeo-2 a -0,15 V vs. eletrodo de hidrogênio reversível (VRHE), eficiência de Faraday superior a 90% para CO na faixa de potencial de -0,15 a - 0,9 VRHE e alta frequência de rotatividade (TOF) de mais de 274.000 locais-1 h-1 a -1,0 VRHE, superando a maioria dos catalisadores relatados.

Este estudo oferece uma nova compreensão do papel do catalisador na reação de eletrorredução de CO2 e promete lançar uma nova luz sobre futuras tecnologias de redução de CO2.

Mais Informações: Yuzhu Zhou et al, Locais atômicos únicos de níquel coordenados por dinitrogênio assimétricos para eletrorredução eficiente de CO2, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2

Informações do diário:Comunicações da Natureza

Fornecido pela Universidade de Ciência e Tecnologia da China