Sviluppo di nuovi catalizzatori per l'elettroriduzione dell'anidride carbonica

11 agosto 2023

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dall’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina

Essendo una parte cruciale della tecnologia di cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS), la reazione di riduzione della CO2 (CO2RR) ai combustibili e ai prodotti chimici a base di carbonio presenta ampie prospettive di applicazione nello stoccaggio di energia rinnovabile e nelle emissioni negative di CO2.

Recentemente, un team guidato dal Prof. Song Li e dal ricercatore associato He Qun del Laboratorio nazionale di radiazione di sincrotrone dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia cinese delle scienze (CAS) ha avanzato una nuova comprensione del meccanismo di CO2RR sui siti monoatomici del nichel (Ni). Il loro studio, intitolato “Asymmetric Dinitrogen-Coordinated Nickel Single-Atomic Sites for Efficient CO2 Electroreduction”, è stato pubblicato su Nature Communications.

Un catalizzatore CO2RR ideale richiede un basso sovrapotenziale e un'elevata densità di corrente nei prodotti. Tuttavia, i catalizzatori precedenti sono caratterizzati da costi elevati e bassa densità di corrente, come l'oro (Au) e l'argento (Ag), e di solito mostrano sovrapotenziali molto più elevati rispetto ad Au e Ag, come Fe, Co o Ni, limitando l'efficienza della reazione.

Pertanto, è imperativo sviluppare catalizzatori 3D abbondanti a base metallica, a bassa sovratensione e ad alta densità di corrente, per sostituire i catalizzatori in metalli preziosi per la CO2RR. Per affrontare queste sfide, i ricercatori hanno proposto un catalizzatore asimmetrico a singolo atomo di nichel coordinato con diazoto (Ni-NC). Utilizzando le caratteristiche insature e asimmetriche dei siti, si ottiene l'autoottimizzazione strutturale durante il processo elettrochimico, migliorando così l'attività intrinseca dei siti nella CO2RR.

Nello studio, il team ha progettato e sintetizzato Ni-NC caratterizzato dalla coordinazione del diazoto (azoto piridinico e pirrolico) e poi lo ha utilizzato per reazioni di elettroriduzione della CO2 in mezzi neutri e alcalini. Gli spettri di assorbimento dei raggi X e gli spettri di emissione della radiazione di sincrotrone hanno rivelato la struttura di coordinazione locale dei siti Ni nel catalizzatore. I risultati dei test elettrochimici hanno mostrato che il catalizzatore Ni-NC potrebbe raggiungere prestazioni elettrochimiche molto elevate sia negli elettroliti neutri (cella di tipo H) che alcalini (elettrodo a diffusione di gas, GDE).

Soprattutto in condizioni alcaline, il catalizzatore potrebbe raggiungere una densità di corrente parziale di CO di 20,1 mA cmgeo-2 a -0,15 V rispetto all'elettrodo a idrogeno reversibile (VRHE), efficienza di Faraday superiore al 90% per CO nell'intervallo potenziale da -0,15 a - 0,9 VRHE e un'elevata frequenza di turnover (TOF) di oltre 274.000 siti-1 h-1 a -1,0 VRHE, superando la maggior parte dei catalizzatori segnalati.

Questo studio offre una nuova comprensione del ruolo del catalizzatore nella reazione di elettroriduzione della CO2 e promette di gettare nuova luce sulle future tecnologie di riduzione della CO2.

Maggiori informazioni: Yuzhu Zhou et al, Siti monoatomici di nichel coordinati dal dinitrogeno asimmetrico per un'efficiente elettroriduzione della CO2, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-39505-2

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