Redução eletroquímica seletiva de CO2 em Cu bimetálico variante de composição

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13456 (2022) Citar este artigo

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A redução electrocatalítica do dióxido de carbono (CO2RR) em combustíveis de valor acrescentado é uma iniciativa promissora para superar os efeitos adversos do CO2 nas alterações climáticas. A maioria dos eletrocatalisadores estudados, no entanto, ignora as práticas prejudiciais de mineração usadas para extrair esses catalisadores na busca por alcançar alto desempenho. O reaproveitamento de sucata para uso como eletrocatalisadores alternativos teria, portanto, um grande privilégio, mesmo com o comprometimento do alto desempenho. Neste trabalho demonstramos o reaproveitamento de sucatas de ligas de latão com diferentes teores de Zn para a conversão de CO2 em monóxido de carbono e formato. As ligas de sucata foram ativadas para CO2RR através de recozimento simples ao ar e tornadas mais seletivas para a produção de CO através da substituição galvânica por Ag. Após a substituição galvânica por Ag, os eletrocatalisadores à base de sucata de latão apresentaram maior densidade de corrente para a produção de CO com melhor seletividade para a formação de CO. Os cálculos da teoria do funcional da densidade (DFT) foram usados ​​para elucidar o mecanismo potencial e a seletividade dos catalisadores de sucata de latão em direção ao CO2RR. O centro da banda d nas diferentes amostras de latão com diferentes teores de Zn foi elucidado.

Para mitigar os efeitos nocivos das alterações climáticas, a comunidade científica está a prosseguir uma visão de sustentabilidade que se enquadra nas fronteiras planetárias. A elevada procura de energia levou ao consumo excessivo de combustíveis fósseis e a emissões excessivas de dióxido de carbono (CO2)1,2. A mineração excessiva de minerais também, devido à má regulamentação geral, está emaranhada numa teia de danos ambientais e sociais3,4. Assim, um trabalho considerável de investigação é direcionado para afastar a mineração de metais e a combustão de combustíveis fósseis em direção a alternativas mais verdes5,6. O desenvolvimento de uma solução que utilize fontes de energia renováveis ​​e a construção de uma base para esquemas de reciclagem acessíveis são a chave para um futuro sustentável7,8.

Assim, como um passo promissor para fechar o ciclo do carbono, a reação eletrocatalítica de redução de CO2 (CO2RR) tem despertado grande interesse de pesquisa. Apesar de se mostrar uma reação complexa, muitos estudos demonstraram fortes resultados utilizando uma ampla variedade de eletrocatalisadores9,10,11,12,13,14. O objetivo subjacente a estes estudos é, eventualmente, dimensionar este processo de forma a poder competir com os métodos de produção de energia existentes. Tomar decisões destinadas a minimizar os custos de capital e de funcionamento são, portanto, considerações essenciais. No que diz respeito a este último, converter CO2 diretamente em hidrocarbonetos superiores (C2+) utilizando cobre (Cu), o catalisador de escolha, é uma tarefa desafiadora. Nomeadamente porque o Cu não é selectivo e produz uma variedade de hidrocarbonetos com fraca eficiência farádica (FE)15. Do ponto de vista industrial, é preferível produzir um único produto com alto FE, em vez de muitos com baixo FE, porque isso pouparia custos de separação. Outro desafio é que, ao converter CO2 diretamente em CH4, enfrentamos elevados sobrepotenciais, o que pode ser uma fonte significativa de ineficiência16. Os modelos técnico-económicos sugerem que uma via indirecta para a produção de hidrocarbonetos através do monóxido de carbono (CO) pode ser mais prática à luz da viabilidade comercial17,18,19. Além disso, processos industriais bem estabelecidos, como Fischer-Tropsch, utilizam matéria-prima direta à base de CO20. Assim, o CO como produto do CO2RR em muitos aspectos é mais favorável que os hidrocarbonetos.

Do outro lado da equação, materiais catalisadores baratos e abundantes também devem ser considerados para minimizar os custos de capital. Os melhores catalisadores com desempenho consistente para a produção de CO são Pd, Au e Ag11,21,22. No entanto, projetar um catalisador apenas a partir de metais nobres não é rentável. O latão, por outro lado, está amplamente disponível, é barato e não apresenta preocupações ambientais. Muitos estudos demonstraram resultados promissores com o latão como eletrocatalisador para CO2RR12,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Um eletrocatalisador derivado de estrutura metal-orgânica (MOF) com centros bimetálicos de Cu e Zn gerou CO com 88% FE. A molécula de ftalocianina facilitou o sinergismo entre os centros CuN4 e ZnO4 para produzir CO em alta taxa32. Em outro estudo, nanopartículas de latão oxidado suportadas em nanotubos de carbono (CNT) foram sintetizadas usando um método de calcinação em múltiplas etapas. Eles relataram ≈ 50% FE para CO e ≈ 90% FE para gás de síntese33. Apesar do desempenho promissor das nanopartículas à base de latão, o seu dimensionamento pode ser desafiador e dispendioso devido à exigência de produtos químicos especializados e técnicas de síntese precisas. Portanto, as nanopartículas nem sempre são as mais práticas do ponto de vista industrial34,35. Consequentemente, nanoespumas e estruturas foram produzidas diretamente a partir de folhas metálicas5,26,27. Stojkovikj et al. nanoespuma de bronze preparada por meio de processamento de alto potencial. A estrutura consistia em dendritos que aumentaram substancialmente a rugosidade da superfície, resultando em uma melhoria no CO FE de 35-40% para ≈ 85% . No entanto, a produção de nanoespuma requer densidades de corrente extremamente altas, o que representa um encargo de custos, especialmente em escala industrial37,38. Para este fim, a utilização direta de sucatas metálicas, sem a necessidade de processamento dispendioso, parece ser a alternativa mais rentável e ambientalmente sustentável. Além disso, apesar da alta atividade relatada de diferentes eletrocatalisadores à base de Cu-Zn em CO2RR, ainda falta o efeito de ligá-los com outro metal no desempenho de redução de CO2 .