Un électrocatalyseur tandem à base d’étain pour la synthèse d’éthanol via réduction de CO₂

La réduction électrochimique du dioxyde de carbone (CO₂) en divers produits multicarbones est hautement souhaitable, car cela pourrait aider à produire facilement des produits chimiques utiles pour un large éventail d’applications. La plupart des catalyseurs existants pour faciliter le CO₂ la réduction repose sur le cuivre (Cu), mais les processus qui sous-tendent leur action restent mal compris.

Des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences, de l’Université de la ville de Hong Kong et d’autres instituts chinois ont récemment entrepris de concevoir des catalyseurs électrochimiques sans Cu plus efficaces pour la réduction du CO₂ Leur article, publié dans Énergie naturelleintroduit un nouveau catalyseur à base d’étain (Sn), qui s’est avéré réduire le CO₂ à l’éthanol (CH₃CH₂OH) avec une sélectivité de 80%.

“La découverte du couplage CC sur le Sn₁-Le catalyseur O3G n’était pas accidentel, mais s’appuyait plutôt sur nos travaux antérieurs sur la compréhension du CO₂Comportement RR des catalyseurs à un seul atome de métaux de transition”, a déclaré le professeur Bin Liu, co-auteur de l’article, à Tech Xplore.

“Plus précisément, nous avons mené des expériences préliminaires impliquant des caractérisations structurelles et électrochimiques de divers CO à base de Sn.₂Catalyseurs RR, y compris les nanoparticules métalliques de Sn, SnS₂ nanofeuilles, SnS₂ sur le graphène dopé à l’azote, des atomes simples de Sn sur le graphène dopé à l’azote (Sn-4N) et des atomes simples de Sn sur le graphène riche en O (Sn₁-O3G).”

Dans leurs expériences préliminaires, les chercheurs ont découvert que Sn₁-4N et Sn₁-Les catalyseurs O3G pourraient réduire le CO₂ au CO avec KHCO₃en tant que donneur de protons dans un CO₂Solution RR. Cependant, ces catalyseurs présentent un comportement différent en présence du formiate acide, seul Sn₁-O3G produisant à terme de l’éthanol.

“Ces observations nous amènent à croire que la différence de CO₂RR entre le Sn₁-4N et Sn₁Les catalyseurs -3OG pourraient résulter des différents environnements de coordination de Sn”, a déclaré le professeur Liu. “Par la suite, nous avons concentré nos efforts sur la compréhension du mécanisme de couplage CC sur les sites catalytiques Sn coordonnés par O et avons construit un catalyseur en tandem pour réaliser du CO sélectif.₂RR à l’éthanol.

Le professeur Liu et ses collègues ont fabriqué leur nouvel électrocatalyseur à base de Sn en provoquant une réaction solvothermique entre SnBr₂ et de la thiourée sur une mousse de carbone tridimensionnelle (3D). Ils ont ensuite examiné leur catalyseur pour caractériser sa structure.

Leurs examens suggèrent que leur catalyseur est constitué de SnS₂ nanofeuilles et atomes de Sn dispersés atomiquement. Ces composants sont coordonnés sur le carbone 3D riche en O en se liant à trois atomes d’O (Sn₁-O3G).

“Les performances électrochimiques du SnS₂/Sn₁-Catalyseur O3G pour le CO₂Le RR a été évalué par chronoampérométrie dans une cellule de type H contenant du CO₂-KHCO 0,5-M saturé₃“, a déclaré le professeur Liu. “Notre catalyseur peut produire de manière reproductible de l’éthanol avec un rendement faradique (FE) allant jusqu’à 82,5 % à -0,9 V._RHÉ et une densité de courant géométrique de 17,8 mA cm^–2. De plus, le FE pour la production d’éthanol pourrait être maintenu au-dessus de 70 % sur la fenêtre potentielle de -0,6 à -1,1 V._RHÉ“.

Lors des premières évaluations, le catalyseur développé par les chercheurs a obtenu des résultats très prometteurs, produisant avec succès de l’éthanol à partir d’un CO₂Solution RR à haute sélectivité. De plus, le catalyseur s’est révélé stable, conservant 97 % de son activité initiale après 100 h de fonctionnement.

“Les doubles centres actifs des atomes Sn et O dans Sn₁-O3G sert à adsorber différents intermédiaires à base de C, ce qui réduit efficacement l’énergie de couplage CC entre *CO(OH) et *CHO”, a expliqué le professeur Liu. “Notre catalyseur tandem permet une voie de couplage formyle-bicarbonate, qui fournit non seulement une plate-forme pour la formation de liaisons CC lors de la synthèse de l’éthanol et surmonte les restrictions des catalyseurs à base de Cu, mais offre également une stratégie de manipulation du CO₂ voies de réduction vers les produits souhaités.

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs introduisent un catalyseur alternatif sans Cu pour provoquer la formation de liaisons CC et permettre la réduction du CO₂ à l’éthanol. À l’avenir, l’approche proposée pourrait être utilisée pour produire de l’éthanol de manière plus fiable et pourrait potentiellement également être appliquée à la synthèse d’autres produits chimiques souhaités via le CO.₂ réaction de réduction.

“La recherche de catalyseurs plus efficaces dotés de deux sites actifs devrait être poursuivie par le biais d’expériences à haut débit et de calculs théoriques”, a ajouté le professeur Liu. “La vitesse et la sélectivité d’une réaction catalytique sont également étroitement liées à la couverture des intermédiaires réactionnels à la surface du catalyseur.

“Par conséquent, une étude approfondie des facteurs qui affectent le temps de séjour des intermédiaires, tels que la structure poreuse du support du Sn₁-Les sites double-actifs O3G contribueraient à approfondir la compréhension du processus de couplage CC. Nous envisageons que la catalyse tandem basée sur le concept de sites doublement actifs pourrait être étendue au couplage CX (X = N ou S) pour préparer d’autres produits chimiques, tels que l’urée et l’alanine.

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