Desarrollando nuevos catalizadores para la electrorreducción de dióxido de carbono.

11 de agosto de 2023

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por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China

Como parte crucial de la tecnología de captura, utilización y almacenamiento de carbono (CCUS), la reacción de reducción de CO2 (CO2RR) a combustibles y productos químicos a base de carbono presenta amplias perspectivas de aplicación en el almacenamiento de energía renovable y las emisiones negativas de CO2.

Recientemente, un equipo dirigido por el profesor Song Li y el investigador asociado He Qun del Laboratorio Nacional de Radiación Sincrotrón de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias (CAS) presentó una nueva comprensión del mecanismo. de CO2RR en los sitios monoatómicos de níquel (Ni). Su estudio, titulado "Sitios atómicos individuales de níquel coordinados con dinitrógeno asimétrico para una electrorreducción eficiente de CO2", se publicó en Nature Communications.

Un catalizador de CO2RR ideal requiere un sobrepotencial bajo y una densidad de corriente alta para los productos. Sin embargo, los catalizadores anteriores se caracterizan por un alto costo y baja densidad de corriente, como el oro (Au) y la plata (Ag), y generalmente exhiben sobrepotenciales mucho más altos que el Au y Ag, como Fe, Co o Ni, lo que limita la eficiencia de la reacción.

Por lo tanto, es imperativo desarrollar catalizadores 3D a base de metales abundantes, de alta densidad de corriente y sobrepotencial bajo para reemplazar los catalizadores de metales preciosos para CO2RR. Para abordar esos desafíos, los investigadores propusieron un catalizador de un solo átomo de níquel coordinado con dinitrógeno asimétrico (Ni-NC). Al utilizar las características insaturadas y asimétricas de los sitios, se logra la autooptimización estructural durante el proceso electroquímico, mejorando así la actividad intrínseca de los sitios en CO2RR.

En el estudio, el equipo diseñó y sintetizó Ni-NC con coordinación de dinitrógeno (nitrógeno piridínico y pirrólico) y luego lo utilizó para reacciones de electrorreducción de CO2 en medios neutros y alcalinos. Los espectros de absorción y emisión de rayos X de radiación sincrotrón revelaron la estructura de coordinación local de los sitios de Ni en el catalizador. Los resultados de las pruebas electroquímicas mostraron que el catalizador de Ni-NC podía lograr un rendimiento electroquímico muy alto tanto en electrolitos neutros (celda tipo H) como alcalinos (electrodo de difusión de gas, GDE).

Especialmente en condiciones alcalinas, el catalizador podría alcanzar una densidad de corriente parcial de CO de 20,1 mA cmgeo-2 a -0,15 V frente al electrodo de hidrógeno reversible (VRHE), una eficiencia de Faraday de más del 90 % para CO en el rango de potencial de -0,15 a - 0,9 VRHE y una alta frecuencia de rotación (TOF) de más de 274 000 sitio-1 h-1 a -1,0 VRHE, superando a la mayoría de los catalizadores informados.

Este estudio ofrece una comprensión novedosa del papel del catalizador en la reacción de electrorreducción de CO2 y promete arrojar nueva luz sobre futuras tecnologías de reducción de CO2.

Más información: Yuzhu Zhou et al, Sitios monoatómicos de níquel asimétricos coordinados con dinitrógeno para una electrorreducción eficiente de CO2, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2

Información de la revista:Comunicaciones de la naturaleza

Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China