Sitios binucleares de Cu con puente de oxígeno para la reducción de CO2 electrocatalítico eficiente al etanol a un...

Área de la Ciencia:

• La electroquímica
• Ciencias de los materiales
• Catálisis

Sus antecedentes:

• La reducción electrocatalítica de CO2 (CO2RR) a alcoholes es una estrategia clave para la valorización de los residuos de CO2 en combustibles y productos químicos.
• Los catalizadores convencionales de CO2RR a menudo requieren altos sobrepotenciales, lo que limita su aplicación práctica.
• El desarrollo de catalizadores eficientes con bajos potenciales excedentes es crucial para el avance de las tecnologías de conversión de CO2.

Objetivo del estudio:

• Diseñar y sintetizar un nuevo catalizador con sitios binucleares Cu puenteados con oxígeno (CuOCu-N4) para mejorar la CO2RR.
• Investigar el rendimiento catalítico, en particular el exceso de potencial y la selectividad para la producción de etanol.
• Aclarar el mecanismo subyacente al acoplamiento C-C mejorado y la formación de etanol en los sitios binucleares.

Principales métodos:

• Síntesis de nanojaulas jerárquicas de carbono dopadas con nitrógeno (hNCNC) que apoyan los sitios activos de Cu.
• Caracterización de la estructura del catalizador, incluida la estructura fina de adsorción de rayos X operando (XAFS) para confirmar la estabilidad del sitio activo.
• Evaluación electroquímica del rendimiento del CO2RR, incluido el sobrepotencial, la eficiencia Faradaic y la estabilidad.
• Simulaciones teóricas (DFT) para comprender el mecanismo de reacción y el papel de los sitios binucleares.

Principales resultados:

• El catalizador sintetizado exhibe sitios binucleares únicos de CuOCu-N4 junto con los sitios mononucleares convencionales de Cu-N4 en hNCNC.
• Se ha logrado un potencial excesivo bajo de 0,19 V para la producción de etanol.
• Demostró una eficiencia Faradaic sobresaliente de etanol del 56,3% a un potencial ultrabajo de -0,30 V.
• Operando XAFS se confirmó la alta estabilidad de los sitios activos de Cu durante la CO2RR.
• Las simulaciones teóricas revelaron que los sitios CuOCu-N4 mejoran el acoplamiento C-C, mientras que los sitios mononucleares y el soporte optimizan la concentración de CO y el rendimiento de etanol.

Conclusiones:

• Los sitios binucleares CuOCu-N4 desarrollados en hNCNCs representan un catalizador muy eficaz para la reducción de CO2 a etanol.
• El catalizador alcanza un rendimiento superior a potenciales excesivos significativamente reducidos, ofreciendo una vía prometedora para la valorización eficiente del CO2.
• El estudio proporciona información mecanicista fundamental sobre el papel de los sitios binucleares en la promoción del acoplamiento C-C para la síntesis de etanol.