Naukowcy wykorzystali światło widzialne i elektrody ze złota i miedzi, aby poprawić wydajność i selektywność konwersji CO2, torując drogę do postępu w dziedzinie zrównoważonej energii.
Łącząc światło widzialne z elektrochemią, badacze znacznie usprawnili konwersję dwutlenku węgla w cenne produkty, dokonując jednocześnie zaskakującego odkrycia. Zespół zaobserwował, że światło widzialne znacznie poprawia ważną właściwość chemiczną znaną jako selektywność. Ten przełom nie tylko przyczynia się do rozwoju technik konwersji CO2, ale także stwarza nadzieje dla szerokiego zakresu reakcji chemicznych w badaniach nad katalizą i produkcji chemicznej.
Jednym ze sposobów, w jaki chemicy przetwarzają CO2 w wartościowe produkty, jest proces zwany redukcją elektrochemiczną, podczas którego strumień gazowego CO2 przepływa przez ogniwo elektrolizy, które rozkłada CO2 i wodę na tlenek węgla i wodór, które następnie można wykorzystać do wytworzenia nowych pożądanych właściwości. produkty węglowodorowe, powiedział profesor chemii Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign, Prashant Jain. „Jednak reakcja jest powolna, a proces wymaga dużych elektrod zawierających dużo drogiego materiału katalitycznego, takiego jak złoto lub miedź, dlatego nasze laboratorium szuka sposobów na przyspieszenie procesu, tak aby potrzeba było mniej materiału katalizatora, co czyni go bardziej realną opcją dla branży paliw alternatywnych.”
Nowe badanie, kierowane przez Jaina i byłego studenta Francisa Alcorna i opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences, szczegółowo opisuje metodę łączącą działanie światła widzialnego z elektrodami pokrytymi nanocząsteczkami złota i miedzi stop aby wywołać redukcję CO2 w znacznie większym tempie i pozwolić na bardziej kontrolowaną selektywność niż w przypadku obecnych metod.
Wykorzystanie światła widzialnego do reakcji elektrochemicznych
„Te nowe elektrody działają jak maleńkie anteny, które wyszukują fotony w zakresie światła widzialnego i łączą je ze ścieżką reakcji chemicznej” – powiedział Jain.
W laboratorium elektrody zanurza się w roztworze CO2, wody i elektrolitu w celu zwiększenia przewodności. Następnie zespół przykłada napięcie do elektrody, a laser w świetle widzialnym oświetla jej powierzchnię. W wyniku reakcji szybko powstaje tlenek węgla – w wyniku rozszczepienia CO2 – i wodór, który powstaje w wyniku rozszczepienia cząsteczek wody.
„Byliśmy bardzo podekscytowani wzrostem produktywności po zastosowaniu światła widzialnego. Nie spodziewaliśmy się jednak, że wykorzystanie światła widzialnego będzie miało duży wpływ na selektywność chemiczną, co stanowi ważny postęp w tym przypadku” – powiedział Jain.
W katalizie selektywność chemiczna to zdolność reakcji chemicznej do faworyzowania lub ukierunkowania jednego typu szlaku lub cząsteczki na inny. W ramach tego badania naukowcy odkryli, że reakcja rozszczepiania wody, w wyniku której powstaje gazowy wodór, została selektywnie wzmocniona za pomocą światła. To skłoniło zespół do dalszych eksperymentów i modelowania wyników za pomocą Uniwersytet Północno-Zachodni profesor chemii George Schatz i pracownik naukowy ze stopniem doktora Sajal Kumar Giri.
Nowe możliwości produkcji gazu syntetycznego
„Wyniki wykazały, że światło widzialne oferuje wyjątkową możliwość dostosowania stosunku tlenku węgla do wytwarzanego wodoru, co jest kluczowym czynnikiem w przemysłowej produkcji gazu syntetycznego” – powiedział Jain. „To odkrycie toruje drogę do bardziej zrównoważonej i wydajnej przyszłości energetycznej”.
Jednak wykorzystywanie światła do wspomagania reakcji chemicznych nie jest pozbawione kontrowersji, powiedział Jain. Ponieważ dodanie światła do reakcji chemicznej spowoduje również zwiększenie ciepła, zespół musiał przeprowadzić dokładne pomiary i eksperymenty kontrolne, aby ustalić, czy to po prostu efekt ogrzewania światła doprowadził do szybszej szybkości i selektywności reakcji.
„Przeprowadziliśmy eksperymenty z laserem i bez niego, w dokładnie tej samej temperaturze wytwarzanej przez wzbudzenie światła i wykluczyliśmy, że przyczyną jest ogrzewanie” – powiedział Jain. „Za zwiększoną produktywność i zwiększoną selektywność rozkładu wody odpowiadają raczej pola elektryczne i ukierunkowany przepływ ładunku wywołany wzbudzeniem światła, co zostało uchwycone w symulacjach przeprowadzonych przez naszych współpracowników” – powiedział Jain.
Zespół nadal musi stawić czoła pewnym wyzwaniom, aby posuwać się naprzód. Na przykład wielokrotne użycie elektrody na bazie nanocząstek nieuchronnie doprowadzi z czasem do degradacji, zwłaszcza w przypadku scenariusza o zwiększonej skali wymaganego do zastosowań przemysłowych. Ponadto ogólna efektywność energetyczna procesu i zarządzanie oświetleniem będą wymagały dalszych badań i ulepszeń.
„Co odkryliśmy w tym badaniu prezentuje zupełnie nowe sposoby myślenia o elektrochemii i katalizie” – powiedział Jain. „Wykorzystując światło, zwiększamy aktywność tego katalizatora, ale, co zaskakujące, zmieniamy także selektywność. Otworzy to nowe szlaki chemiczne, w wyniku których powstają różne produkty. I po co poprzestawać na redukcji CO2 lub rozdzielaniu wody? Można to zastosować w wielu innych reakcjach katalitycznych ważnych dla przemysłu chemicznego”.
Odniesienie: „Przełączanie selektywności elektrochemicznej w wyniku dysocjacji wywołanej polem plazmonicznym” Francisa M. Alcorna, Sajala Kumara Giri, Mayi Chattoraj, Rachel Nixon, George’a C. Schatza i Prashanta K. Jaina, 2 października 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2404433121
Badacze z Illinois, Maya Chattoraj i Rachel Nixon, również wnieśli swój wkład w to badanie. Badania te wsparły National Science Foundation, Departament Energii Stanów Zjednoczonych, fundacja im. Roberta C. i Carolyn J. Springborn Endowment oraz grant Future Interdyscyplinarne Badania Eksploracyjne.
