Operando Perspectiva sobre la correlación entre la estructura y la composición de las nanopartículas de CuZn y su...

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• La reducción electroquímica del dióxido de carbono (CO2RR) es una vía prometedora para la producción química sostenible.
• Los catalizadores bimetálicos de cobre y zinc (CuZn) ofrecen el potencial para controlar la selectividad de la RCR de CO2.
• Se carece de una comprensión fundamental de los mecanismos del catalizador CuZn y de los determinantes del rendimiento.

Objetivo del estudio:

• Investigar la correlación estructura-rendimiento de las nanopartículas CuZn de tamaño controlado para CO2RR.
• Aclarar el papel de la concentración de zinc y la aleación en la selectividad del producto.
• Comprender la evolución dinámica de los catalizadores CuZn bajo condiciones operando.

Principales métodos:

• Síntesis de nanopartículas de CuZn de tamaño controlado (∼5 nm) en soporte de carbono.
• Experimentos electroquímicos de reducción de CO2.
• Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS) casi in situ para evaluar la lixiviación de metales.
• Espectroscopia de absorción de rayos X de estructura fina (XAFS) para estudiar la aleación y la evolución de la estructura local.

Principales resultados:

• El ajuste de la concentración de Zn desde el 10-50% aumentó drásticamente la selectividad del metano (∼70% F.E.) y supresión de la producción de hidrógeno.
• Las concentraciones más altas de Zn condujeron a una menor producción de CH4 y a un cambio a la selectividad de CO.
• XPS no confirmó ninguna lixiviación significativa de metales durante la reacción.
• Operando XAFS reveló aleación de CuZn bajo condiciones de reacción, con reducción catiónica de Zn para formar una aleación de CuZn (latón).
• El XAFS dependiente del tiempo mostró una evolución continua de las interacciones Cu-Zn, en correlación con los cambios de selectividad de CH4 a CO.

Conclusiones:

• La aleación dinámica de Cu y Zn en condiciones de reacción es crítica para la selectividad del producto en CO2RR.
• La evolución de las interacciones Cu-Zn dicta el cambio de metano a la producción de monóxido de carbono.
• La comprensión de la interacción de las especies atómicas en nanopartículas bimetálicas bajo condiciones operando es esencial para el diseño del catalizador y la reactividad de afinación.