CO2 Elektrokimyasal Azaltımında Heterojen Kedili Kedi

Karbondioksit (CO2), yüksek değerli kimyasallar ve yakıtlara bir atık gazını dönüştürmek için en umut verici rotalardan biridir. Heterojen kataliz bu sürecin kalbindedir: Katı katalizörler, elektrot-elektrolyte arayüze yerleştirilen, daha aktif ve dayanıklı malzemeleri kırmanın en yüksek oranda enerjisinden biridir.Bu makale CO2'deki reaksiyonları ve istenen ürünlere yönelik tepkiyi şekillendirir.Son on yıl boyunca, önemli ilerlemeler bu katı katalizörlerin nasıl çalıştığını anlamakta ve daha aktif ve dayanıklı malzemeleri nasıl tasarlar.

Elektrokimyasal Mikrobiyolojinin Temelleri

Heterojen Kedili Kedili Kedi Tanımlama

Heterojen bir kedide, katalizörler tepki verenlerden farklı bir aşamada var. CO2R için, katalizör genellikle sağlam bir elektrot (örneğin, bir oksit veya desteklenen bir nanopartikül) sağlarken, CO2 sıvı elektrolit veya daha az yaygın olarak, bir gaz dağıtımında saf gaz akışı olarak sağlanır.

Elektrokimyasal Interface

CO2'nin elektrokimyasal azaltılması çok-electron, multi-proton sürecidir. Genel reaksiyon olarak yazılabilir:

[0]

Elektron iyonunun sayısı 2'den (projektif asit veya CO2 ad ya da COkarbonlar ve oksijenler için daha fazla. reaksiyon, elektrot potansiyeline, pH'ya ve yerel CO2 ve protonların konsantrasyonuna son derece hassastır.Bu nedenle CO2 ad dengesizliği, CO2-C-C'ye bağlı olarak, C2+ ürün veya hidrojene karşı darbe - yüzeydeki kimyasal bağlar yoluyla karşılaştırıldığında - bu stabilizasyon.

Neden Heterojen Catalystler Tercih Ediyor

Homojen katalizörler (projektif kompleksler) yüksek seçicilik sunabilir, ancak genellikle sınırlı stabilite, ayrılıkta zorluk ve ölçeklenebilirlik zorluklarıyla zorluk çekerler. Heterojen katalizörler, aksine, sağlam, kolayca sürekli elektrokimyasal reaktörlere entegre edilir ve yüksek akımlara uygun olarak uyumlu. Ayrıca, nanoyapım, veya yüzeyselleştirme yoluyla yüzey özelliklerinin sistematik bir şekilde ayarlanmasına da izin verirler - alandaki ilerlemenin çok fazlaını alana yönlendirmiş olan avantajdır.

CO2 Elektroredüksiyonunun Mekanik Yolu

Farklı katalizör yüzeylerdeki reaksiyon mekanizmasını anlamak rasyonel katalizör tasarımı için önemlidir.Tam yol yolları katalizör ve koşullara bağlı olsa da, birkaç ortak tema ortaya çıkmaktadır.

İlk Aktivasyon İlk Aktivasyon

İlk elektron transferini, CO2 formlarını bir yüzeye taşır - radikal bir anion. Bu adım, birçok geçiş metalinde hıza yönelik bir adım olarak kabul edilir, çünkü lineer CO2 molekülü ekstra elektrona sahip olmak için bükmeli, yüksek enerjili bir CO2 seviyesini stabilize etmek için katalizör yeteneği - metal dorbitals'tan geri çekilmek için - bir anahtar tanımlayıcıdır. Metaller kısmen doldurulmuş d-bandlar, Cu, Ag ve Au gibi, farklı bir aktivasyon seviyesi gösterir.

CO vs. Formate

İlk aktivasyondan sonra, iki büyük yol ayrımı Au, Ag ve Zn gibi metallerde, CO2 - orta daha fazla reklamlara indirgenebilir CO () *CO[D][Dönemli CO2-Düzersiz CO) şeklindedir; o zaman da, o zaman da, o zaman da, Pd ve POHt gibi metaller için daha güçlü bir şekilde bağlanır.

C-C, Bakır üzerinde Coupling

Bakır, saf metaller arasında benzersizdir, çünkü *CO'yu orta güçle bağlar, sonraki C-C'nin C2+ ürünlerini kopyala, etanol ve propanol gibi şekillendirmesine izin verir: Son çalışmalar, *CO-C'nin darbesinin en aktif bölgelerinden biri olduğunu ileri sürer, böylece *CO-R araştırmalarını doğrudan CO2R'nin yakıtları ve alt kimyasal yakıtların yüzeysel oksijen türlerinin varlığı ve bu adımı etkiler.

Heterojen Catalystlerin Anahtar Sınıfları

Monometallic Metal Catalysts

  • [FONT:0]Copper[[DÜT 1: 1): Önemli miktarda hidrokarbon ve oksijen üreten tek saf metal. Ancak, zayıf seçicilik (daha iyi verimsiz ürünler) ve yüzey yeniden yapılandırılması ve zehirleme nedeniyle elde etmek acı vericidir.
  • [FONT:0) Altın ve Gümüş [DÜT:1]: En iyi şekilde CO üretimi için seçici, Faradaic efficiencies (FE) genellikle% 90'ı iktidara gelen aşırı güçlendiriciler üzerinde aşıyor. Performansları, 5-10 nm aralığındaki nanopartiküller ile en yüksek aktiviteyi en iyi şekilde gösteriyor.
  • [FONT=0]Palladium ve Platinum[DÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ:0)Palladium ve Platinum[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜŞÜN) , başlangıçta CO2R için tercih edilmez, ancak güçlü bağlayıcı CO2R. Yüksek overpotential altında, format veya methane üretebilirler, ancak hidrojen evrimi reaksiyonu (HER) saf CO2R için tercih edilmez.
  • [FONT:0]Zinc, Tin, Bismuth, Indium[Dönetici: Bu metaller yüksek seçicilik ile format üretiyor (FE >% 90 bazı durumlarda). Dünyadan yanmaz, toksik olmayanlar ve onları pratik formatlı üretim için cazip kılıyorlar.

Metal Oksitler ve Çimento-Derived Catalysts

Cu2O, CeO2, TiO2 gibi yüzeyler dikkat edin çünkü genellikle metalik meslektaşlarından daha yüksek aktivite sergiliyorlar ve oksitlerin varlığı nedeniyle subsurface oksijen türlerinin ve yüksek bir tahıl yoğunluğu yaratıyorlar. Örneğin, SnO2 bakır (ODCu) yüksek formatta yüksek oranda dirençli gösteriyorlar, ancak subsurface oksijen türlerinin varlığı ve yüksek bir yoğunluktan dolayı, yüksek derecede düşük oksijenli bir yüzeysel olarak düşüklüğün varlığından dolayı, yüksek derecede düşük bir miktar oksijenli iletişimin varlığına kıyasla, yüksek çözünürlükte.

Bimetallic ve Multimetallic Catalyst

İki metalin kaplaması, ne metalin tek başına elde ettiği sinerjik etkiler üretebilir. Elektronik yapı (d-band merkezi) ve geometrik düzenleme (strain, koordinasyon numarası) alaşımlama üzerine değişir, arasların bağlayıcı enerjilerini ayarlayın.

  • [FONT:0)Cu-Pd[[[Dönetici: Pd, Cu'nun CO2'ye kıyasla CO seçme oranına yardımcı oluyor.
  • [FONT:0]Ag-Au[[[Dönetici: Gösterler saf Ag veya Au üzerinde CO üretim aktivitesini geliştirdiler, özellikle de temel bir yapı ile nanopartiküller için.
  • [FONT:0)Cu-Au[[[DÜT:1): Rejim formasyona ek hidrojenasyon adımları ile giriş yapın.
  • [FONT=0)Cu-Zn): Mimics endüstriyel mol sentez katalizörleri, orta seçimlik ile mol ve etanol üret.

Bimetallic ve multimetallic katalizörler için tasarım alanı çok büyük; yüksek kod tarama ve yoğunluk fonksiyonel teori (DFT) hesaplamaları umut verici kompozisyonları tanımlamak için giderek daha fazla kullanılıyor.

SingleAtom Catalysts (SACs)

Tek kullanımlık metal atomlar - bir destek üzerinde demirlenmiş durumda, tipik olarak azotun en yüksek çözünürlükte olduğu gibi ortaya çıktı. Örnek olarak, Fe-N-C, Co-N-C, Ni-N-C, ve Cu-N-C, bazı durumlarda molatif yükleyicisi üretmek için tekrarladı.

Karbon bazlı ve 2D Malzeme

Metal destekli karbon malzemeleri – azot tarafından yapılan grafikler gibi, karbon nanotüpleri ve grafikleritik karbon nitritleri - CO2 azaltımı için aktivite gösterdiler, öncelikle Dünya’nın (N, B, S, P) elektronik yapısını değiştirirler, aktif siteler yaratırlar (örneğin, Moton, Metal katalizörleri için aktivite genellikle daha düşükken, Dünya’nın ucuz ve korozyona dayanıklı yer olmasını gerektirirler.

Metal-Organic Frameworks (MOFs) ve Covalent Organik Çerçeveler (COFs)

MOFs ve COF'ler, iyi tanımlanmış gözenekler ve tonable aktif siteler ile katalizörler tasarlamak için modüler bir platform sunuyor.Onlar, kedici olarak çalışan MOF'ler (örneğin, Cu-based iletken MOF'ler) olarak adlandırılan metal nanopartiküller veya tek kullanımlık katalizörler için sıklıkla kullanılır.

Faktörler Aktiviteyi Etkiliyor ve Seçiciliği

Yüzey Yapısı ve Yüzler

Atomların katalizör yüzeyinde düzenlenmesi reaksiyon yollarını güçlü bir şekilde etkiler. bakır için, (100) metnin üretimini desteklerken, (111) yüzen yüzeyler ve tahıl sınırları daha fazla metaziğe yol açarken, düşük koordinasyon siteleri ile C-C-Cling. Controlling ile maruz kalan yüksek CO seçmeyi tercih eder (örneğin, kapak ajanları veya elektrotrasyon tekniklerini kullanarak) aynı şekilde yönlendirmek için kanıtlanmış bir stratejidir. Benzer şekilde, gümüş küpler, aynı şekilde, yükseklikleri düşük CO tercih eder, yükseklikleri alan veya buharlı yüksek CO tercih eder.

Parçacık Boyutu ve Morpholoji

Au, Ag ve Cu'un nanoparçacıkları güçlü bir boyut bağımlılığı sunuyor. 2 nm altındaki nanoparçalar CO'yı çok güçlü bir şekilde birbirine bağlarken, 10 nm üzerindeki partiküller daha düşük maliyetli siteler nedeniyle daha az aktif durumdalar. 5-8 nm en iyi aktiviteyi sunuyor.

Elektrolyte Kompozisyon ve pH

Elektrolyte, sadece şarjın ötesinde kritik bir rol oynar.Eğitimin konsantrasyonu ve kimliği (örneğin, K+, Cs+, Na+) yerel elektrik alanı ve toplu taşıma sınırlamaları nedeniyle C2+ formunu artırmak için bilinir. C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-C-Eg ile etkileşime girebilmeleri için, bu yüzden birçok yüksek performanslı CO-yeterniğe sahip olmalıdır.

Uygulamalı Potansiyel ve Current Influence

CO2RR, uygulanan potansiyele karşı oldukça hassastır (potansiyel olarak). Farklı ürünler farklı potansiyellerde ortaya çıkmaktadır. Örneğin, mehane daha negatif potansiyellere karşı tercih edilir, ancak bu genellikle orta potansiyellere yol açar. potansiyel aynı zamanda reklamlara ve HER'ye sahip olan rekabetin kapsamını etkiler, mevcut farmasötik elektrolitlerde (mevcut tasarımlarda) çalışır.

Meydanlar ve Sınırlar

Stability and Degradation

Birçok heterojen katalizörler CO2RR sırasında yapısal değişiklikler geçiriyor. bakır, yüzey kabarıklığı, subsurface oksijen veya karbon türlerinin oluşumu zaman içinde seçiciliği değiştirebilir. Metal dissolution (e.g., for Sn, Bi) daha yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş

Yetkilendirme Hidrojen Reaksiyonu

Bir elektrolitlerde, suların hidrojene (HER) indirgenmesi, termodinamik ve kinetsel olarak rekabetçidir. Çoğu CO2R katalizörleri aynı zamanda katalyze HER'yi bir ölçüde azaltır, bu da Faradaic verimliliğini karbon-tofobik ürünler için azaltır. Suppressing HER, yüksek çözünürlükte CO2R ile elektrolitler kullanarak kontrol etmek için anahtardır.

Mass Transport Limitations

Sudaki CO2'nin çözünürlüki sadece -0.034 M'in çevresel koşullarda, CO2'nin katalizör yüzeye teslim edilebilir olması durumunda, yüksek akım kesintilerde, reaksiyon, GDE mimarisi ve sıvı / gaz yönetiminin optimizasyonu, aktif bir alan haline gelir.

Scalability and Cost

En iyi bilgi katalizörlerinin çoğu değerli metallere (Au, Ag, Pd) veya karmaşık sentez yöntemlerine güveniyor. Endüstri dağıtım için, Dünyadaki oksijen (Fe, Ni, Cu, C) ve ölçeklenebilir üretim teknikleri gerekli. ayrıca, genel enerji verimliliği (kontajlı hücre gerilimi ve ürün seçiciliği) mevcut petrokimyasal rotalarla rekabet etmek için geliştirmek gerekir.

Son gelişmeler ve Gelişen Yollar

Yüksek Entropy Alloys (HEAs)

HEAs are alaşımları yakın-equiatomic oranlarda beş veya daha fazla temel element içeren. benzersiz yüzey kompozisyonu ve lattice sustuğunu gösteren sinerjik bir uzay sunuyor. Çeşitli HEA nanopartiküller (örneğin, Cu-Ag-Au-Pd-Pt) ıslak-enerjik şok yöntemlerinde C2+'yi daha erişilebilir hale getiren sinerjik etkiler göstermiştir.

Makine Öğrenme ve Yüksek-Throughput Ekran

C ⁇ yöntemleri katalizör keşiflerini hızlandırıyor. DFT hesaplamaları anahtar araların adorpsiyon enerjilerini tahmin edebilir (örneğin, *CO, *OH, *OCHO) binlerce yüzey için test edilen ve daha sonra seçici CO üretimi için birkaç rakipsiz adayla ilişkili olarak tespit edilir. DFT databases üzerinde eğitilmiş makine öğrenme modelleri, pahalı hesaplamalar olmadan kedialitik performanslarını hızla tahmin edebilir.

Mekanik ve Rejik Mühendislik

Test geliştirmenin ötesinde, elektrokimyasal hücre mimarisi kritiktir. Membran elektrot montajları (MEAs) ve sıfır-gap konfigürasyonları ohmik direnişi azaltır ve yüksek mevcut eşitsizliklere izin verir. Örneğin, Bipolar ve anode bölmelerde bağımsız bir kontrol sağlar. daha sonra, bakır katalizör ve kalibre üretmek için daha yüksek bir katalizöre ulaşır.

Situ ve Operando Karakterizasyon

katalizörün gerçek çalışma durumunu anlamak, yüzeyin reaksiyon koşullarını kanıtlayan teknikler gerektirir. Raman spectroskop, kızılötesi spektroskopi, X-ray abstroskopi (XAS), ve elektrokimyasal tarama mikroskobu (EC-STM), operanın çalışmaları için uyarlanmış olan son çalışma, sub-surface oksijen türlerinin ve bakır hipnozun hidrohidrasyon fazlarının CO2R sırasında form oluşturabileceğini gösteriyor.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Heterojen kataliz, CO2 kullanan kimyasal endüstrinin bir yemleme olarak tanımlanması için bir temel çaba taşı olmaya devam ediyor.Demoktoral malzemelerin çeşitliliği - tek atom siteleri, yüksek performanslı alaşımlar ve iletken çerçeveler ile yardımcı olmak için, - temel bir şekilde gerekli olan kimya mühendisliğin karmaşıklığı ve bunu çözmek için araştırmacıların yaratıcılığını seçiyor.

Daha fazla okuma için, son yorumların inurFLT:0)Chemical İncelemeler[Dönetici:2)[Doğa[Dönemli: 3 ) ve [[DörtÜye Olmayanlar[Dönemli)