محفز كهربائي قائم على القصدير لتخليق الإيثانول وتقليل ثاني أكسيد الكربون

يعد الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) إلى منتجات متعددة الكربون أمرًا مرغوبًا فيه للغاية، لأنه يمكن أن يساعد في إنتاج مواد كيميائية مفيدة بسهولة لمجموعة واسعة من التطبيقات.

تعتمد أغلب المحفزات الموجودة لتسهيل خفض ثاني أكسيد الكربون على النحاس (Cu)، ومع ذلك تظل العمليات التي يقوم عليها عملها غير مفهومة بشكل جيد.

بدأ الباحثون في الأكاديمية الصينية للعلوم، وجامعة سيتي في هونج كونج، ومعاهد أخرى في الصين مؤخرًا في تصميم محفزات كهروكيميائية أكثر كفاءة وخالية من النحاس لتقليل ثاني أكسيد الكربون، وتقدم ورقتهم البحثية، المنشورة في مجلة Nature Energy ، محفزًا جديدًا يعتمد على القصدير (Sn)، والذي وجد أنه يختزل ثاني أكسيد الكربون إلى إيثانول (CH 3 CH 2 OH) مع انتقائية تبلغ 80%.

البروفيسور بن ليو، المؤلف المشارك لبحث ورقة، قال “لم يكن اكتشاف اقتران CC عبر المحفز Sn 1 -O3G عرضيًا، ولكنه بدلاً من ذلك بني على أعمالنا السابقة حول فهم سلوك CO 2 RR للمحفزات المعدنية أحادية الذرة الانتقالية”.

اختزال ثاني أكسيد الكربون

وأضاف “على وجه التحديد، أجرينا تجارب أولية تتضمن الخصائص الهيكلية والكهروكيميائية لمختلف محفزات CO 2 RR القائمة على Sn، بما في ذلك الجسيمات النانوية المعدنية Sn، وصفائح SnS 2 النانوية، وSnS 2 على الجرافين المشوب بالنيتروجين، وذرات Sn المفردة على الجرافين المشوب بالنيتروجين (Sn-2). 4N) وذرات Sn منفردة على الجرافين الغني بالأكسجين (Sn 1 -O3G).”

في تجاربهم الأولية، وجد الباحثون أن كلاً من المحفزات Sn 1 -4N وSn 1 -O3G يمكنها اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون باستخدام KHCO 3، كمانح للبروتون في محلول CO 2 RR، ومع ذلك، أظهرت هذه المحفزات سلوكًا مختلفًا في وجود فورمات الحمض، مع إنتاج Sn 1 -O3G فقط للإيثانول في النهاية.

تصنيع محفز كهربائي جديد

وقال البروفيسور ليو : “هذه الملاحظات دفعتنا إلى الاعتقاد بأن الاختلاف في ثاني أكسيد الكربون RR بين المحفزات Sn 1 -4N وSn 1 -3OG يمكن أن يكون ناتجًا عن بيئات التنسيق المختلفة لـ Sn”، “بعد ذلك، ركزنا جهودنا على فهم آلية اقتران CC في المواقع الحفزية المنسقة O-Sn ، وقمنا ببناء محفز ترادفي لتحقيق RR انتقائي لثاني أكسيد الكربون إلى الإيثانول.”

قام البروفيسور ليو وزملاؤه بتصنيع محفز كهربائي جديد قائم على Sn عن طريق إثارة تفاعل مذيب للحرارة بين SnBr 2 والثيوريا على رغوة كربون ثلاثية الأبعاد (3D). وقاموا بعد ذلك بفحص المحفز الخاص بهم لتوصيف بنيته.

تشير فحوصاتهم إلى أن المحفز الخاص بهم يتكون من صفائح نانوية من SnS 2 وذرات Sn متناثرة ذريًا. يتم تنسيق هذه المكونات على الكربون الغني بالأكسجين ثلاثي الأبعاد عن طريق الارتباط بثلاث ذرات O (Sn 1 -O3G).

تقييم الأداء الكهروكيميائي

وقال البروفيسور ليو: “تم تقييم الأداء الكهروكيميائي للمحفز SnS 2 /Sn 1 -O3G لـ CO 2 RR باستخدام قياس الزمن في خلية من النوع H تحتوي على ثاني أكسيد الكربون المشبع بـ 0.5-M KHCO 3 “، “يمكن للمحفز الخاص بنا إنتاج الإيثانول بشكل متكرر بكفاءة فارادية (FE) تصل إلى 82.5% عند -0.9 فولت RHE وكثافة تيار هندسي تبلغ 17.8 مللي أمبير سم – 2. بالإضافة إلى ذلك، يمكن الحفاظ على FE لإنتاج الإيثانول عند مستوى أعلى من 70% على النافذة المحتملة من -0.6 إلى -1.1 فولت RHE .”

في التقييمات الأولية، حقق المحفز الذي طوره الباحثون نتائج واعدة للغاية، حيث نجح في إنتاج الإيثانول من محلول CO 2 RR بانتقائية عالية. بالإضافة إلى ذلك، وجد أن المحفز مستقر، ويحافظ على 97% من نشاطه الأولي بعد 100 ساعة من التشغيل.

وأوضح البروفيسور ليو أن “المراكز النشطة المزدوجة لذرات Sn وO في Sn 1 -O3G تعمل على امتصاص الوسطيات المختلفة المستندة إلى C، مما يقلل بشكل فعال من طاقة اقتران CC بين *CO(OH) و*CHO”، “إن محفزنا الترادفي يتيح مسار اقتران الفورميل وبيكربونات، والذي لا يوفر منصة لتكوين رابطة CC أثناء تخليق الإيثانول، ويتغلب على قيود المحفزات القائمة على النحاس فحسب، بل يقدم أيضًا استراتيجية لمعالجة مسارات تقليل ثاني أكسيد الكربون نحو المنتجات المرغوبة”.

محفزًا بديلاً خاليًا من النحاس

يقدم العمل الأخير الذي قام به هذا الفريق من الباحثين محفزًا بديلاً خاليًا من النحاس لتحفيز تكوين رابطة CC وتمكين اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى الإيثانول. في المستقبل، يمكن استخدام النهج المقترح لإنتاج الإيثانول بشكل أكثر موثوقية ويمكن أيضًا تطبيقه على تخليق المنتجات الكيميائية المرغوبة الأخرى عبر تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون .

وأضاف البروفيسور ليو: “يجب متابعة البحث عن محفزات أكثر كفاءة ذات مواقع نشطة مزدوجة من خلال تجارب عالية الإنتاجية وحسابات نظرية”، “يرتبط معدل وانتقائية التفاعل التحفيزي أيضًا ارتباطًا وثيقًا بتغطية وسيطات التفاعل على سطح المحفز.

وأضاف “لذلك، فإن إجراء دراسة متعمقة للعوامل التي تؤثر على وقت بقاء المواد الوسيطة، مثل البنية المسامية لدعم المواقع ثنائية النشاط Sn 1 -O3G، من شأنه أن يساعد في تعميق فهم عملية اقتران CC، نحن نتوخى أن التحفيز الترادفي القائم على مفهوم المواقع ثنائية النشاط يمكن أن يكون قابلاً للتمديد إلى اقتران CX (X = N أو S) لتحضير مواد كيميائية أخرى، مثل اليوريا والألانين”.