Sep 28, 2023
Eletrorredução de alta densidade de corrente de CO2 em formato com nanoesferas de óxido de estanho
Relatórios Científicos volume 12,
Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 8420 (2022) Citar este artigo
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Detalhes das métricas
Neste estudo, demonstramos eletrocatalisadores de nanoesferas ocas tridimensionais (3D) para conversão de CO2 em formato com excelente desempenho de célula H e densidade de corrente industrialmente relevante em um dispositivo eletrolisador de montagem de eletrodo de membrana de 25 cm2. A variação da temperatura de calcinação maximizou a produção de formato por meio da otimização da cristalinidade e do tamanho das partículas das nanopartículas de SnO2 constituintes. Os catalisadores de nanoesferas de SnO2 com melhor desempenho continham nanocristais de ~ 7,5 nm e produziram 71–81% de eficiência faradaica de formato (FE) entre −0,9 V e −1,3 V vs. o eletrodo de hidrogênio reversível (RHE) em uma densidade de corrente parcial de formato máxima de 73 ± 2 mA cmgeo−2 a −1,3 V vs. RHE. O maior desempenho dos catalisadores de nanoesferas em relação às nanopartículas de SnO2 e catalisadores disponíveis comercialmente pode ser atribuído à sua estrutura inicial, fornecendo maior área de superfície eletroquímica e impedindo o crescimento extensivo de nanocristais durante a redução de CO2. Nossos resultados estão entre os mais altos desempenhos relatados para eletrocatalisadores de SnO2 em células H aquosas. Observamos uma FE média de 68 ± 8% ao longo de 35 h de operação com múltiplos ciclos liga/desliga. Medições de Raman in situ e difração de raios X dependentes do tempo identificaram Sn metálico como sítios eletrocatalíticos ativos durante a operação de longo prazo. Uma avaliação mais aprofundada em uma célula de eletrolisador de 25 cm2 demonstrou um desempenho impressionante com uma densidade de corrente sustentada de 500 mA cmgeo-2 e uma média de 75 ± 6% FE de formato durante 24 h de operação. Nossos resultados fornecem conceitos de design adicionais para aumentar o desempenho de catalisadores produtores de formato.
A redução eletroquímica de CO2 (CO2RR) alimentada por energia renovável é uma abordagem atraente para produzir matérias-primas e combustíveis químicos neutros em carbono. O ácido fórmico (HCOOH), muitas vezes produzido eletroquimicamente como formato (HCOO-), é um produto CO2RR atraente devido aos seus amplos usos nas indústrias agrícola, química e farmacêutica1,2,3,4. O ácido fórmico/formato também foi identificado como um combustível emergente para células de combustível5,6, um transportador de hidrogênio líquido com alta capacidade volumétrica (53 g de H2 por litro)7,8 e para aplicações de atualização de biomassa9. A produção industrial de ácido fórmico a partir de precursores de combustíveis fósseis é extremamente intensiva em carbono2, mas a conversão eletroquímica de CO2 em formato, seguida de purificação por eletrodiálise a jusante em ácido fórmico10, poderia fornecer uma rota neutra ou negativa em carbono para a produção desse produto químico versátil.
Os materiais à base de Sn são alguns dos eletrocatalisadores de CO2RR mais eficazes para a produção de ácido fórmico/formato11,12,13,14,15,16,17,18. No entanto, o desempenho da maioria dos catalisadores à base de Sn ainda é inadequado para aplicações práticas devido às baixas densidades de corrente (normalmente 10 ~ 25 mA cmgeo-2 em células H aquosas; Tabela S1), altos sobrepotenciais e baixa estabilidade a longo prazo11, 12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24. Portanto, mais esforços de design de catalisador e demonstração em dispositivos eletrolisadores de células completas são necessários para aumentar a conversão de CO2 em formato, melhorar a eficiência e validar a operação de alta densidade de corrente em arquiteturas de dispositivos realistas.
O CO2RR tem uma sensibilidade de estrutura rica e esforços substanciais têm sido dedicados a melhorar o desempenho, controlando a morfologia, dimensão, tamanho, composição, orientação cristalográfica, estrutura de superfície ou defeitos do catalisador11,25,26,27,28. Por exemplo, incorporar um segundo metal como Cu, Pd ou Ni em Sn pode ajustar a seletividade CO2RR de Sn para CO com 80–90% de eficiência faradaica (FE)29,30,31, enquanto In, Bi e Pd podem melhoram fortemente a seletividade do ácido fórmico e a densidade de corrente em menor sobrepotencial32,33,34,35. O controle da estrutura da superfície em nanoescala também pode ajustar a proporção de locais de canto, borda e terraço de baixa coordenação nos catalisadores, que afetam fortemente a adsorção e a ativação do CO2, bem como a formação de intermediários chave19,36,37. A tridimensionalidade (3D) é outra consideração de design de eletrocatalisador de CO2RR, e os relatórios descreveram morfologias de catalisador de CO2RR montadas a partir de blocos de construção em nanoescala, incluindo esferas, flores, folhas, dendritos, espumas porosas, opalas inversas e outros12,13,14,15, 16,17,18,30,35,38,39,40,41,42,43. Essas estruturas 3D podem oferecer maior área de superfície e uma alta densidade de sítios ativos eletrocatalíticos que podem melhorar a densidade de corrente12,13,14,15,16,27,35,39,40,42. A partir dessa perspectiva, um eletrocatalisador de SnO2 de alto desempenho pode ser projetado combinando os conceitos de morfologia 3D, estrutura de superfície e controle de tamanho para melhorar a densidade de corrente e a seletividade de formato.