組成が異なるバイメタル Cu での CO2 の選択的電気化学的還元

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13456 (2022) この記事を引用

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電極触媒による二酸化炭素 (CO2RR) の付加価値燃料への還元は、気候変動に対する CO2 の悪影響を克服するための有望な取り組みです。 しかし、研究されたほとんどの電極触媒は、高性能の達成を追求してこれらの触媒を抽出するために使用される有害な採掘慣行を見逃しています。 したがって、スクラップ金属を代替電極触媒として再利用することは、たとえ高性能が犠牲になったとしても、高い特権を保持することになる。 この研究では、CO2 を一酸化炭素とギ酸に変換するために、Zn 含有量が異なるスクラップ黄銅合金を再利用することを実証しました。 スクラップ合金は、空気中での単純なアニーリングによって CO2RR に向けて活性化され、Ag とのガルバニック置換によって CO2 生成に対してより選択的になりました。 Ag によるガルバニック置換により、スクラップ真鍮ベースの電極触媒は、CO 生成に対する電流密度が向上し、CO 生成に対する選択性が向上しました。スクラップ真鍮触媒の潜在的なメカニズムと選択性を解明するために、密度汎関数理論 (DFT) 計算が使用されました。 CO2RRに向けて。 異なる Zn 含有量を含むさまざまな真鍮サンプルの d バンド中心が解明されました。

気候変動の悪影響を軽減するために、科学界は惑星の境界に当てはまる持続可能性のビジョンを追求しています。 高いエネルギー需要により、化石燃料の過剰消費と過剰な二酸化炭素 (CO2) 排出が発生しています1,2。 一般的な不十分な規制による鉱物の過剰採掘も、環境的および社会的害悪の網に絡み合っています3,4。 したがって、かなりの研究活動が、金属の採掘や化石燃料の燃焼から離れて、より環境に優しい代替燃料を開発することに向けられています5、6。 再生可能エネルギー源を利用するソリューションを開発し、手頃な価格のリサイクル計画の基礎を構築することが、持続可能な未来への鍵となります7,8。

したがって、炭素循環の終結に向けた有望なステップとして、電極触媒による CO2 還元反応 (CO2RR) が大きな研究の関心を集めています。 複雑な反応であることが判明しているにもかかわらず、多くの研究では、さまざまな電極触媒を使用して強力な結果が実証されています9、10、11、12、13、14。 これらの研究の根本的な目標は、最終的にこのプロセスを拡張して、既存のエネルギー生産方法と競合できるようにすることです。 したがって、資本コストとランニングコストの両方を最小限に抑えることを目的とした意思決定を行うことが重要な考慮事項となります。 後者に関しては、最適な触媒である銅 (Cu) を使用して CO2 を高級炭化水素 (C2+) に直接変換することは困難な作業です。 すなわち、Cu は選択的ではなく、ファラデー効率 (FE) が低いさまざまな炭化水素を生成するためです 15。 工業的な観点からは、分離コストを節約できるため、低いFEで多数の製品を生産するよりも、高いFEで単一の製品を生産することが好ましい。 もう 1 つの課題は、CO2 を CH4 に直接変換することで高い過電圧に直面し、これが非効率の重大な原因となる可能性があることです 16。 技術経済モデルは、商業的な実現可能性を考慮すると、一酸化炭素 (CO) を介して炭化水素を製造する間接的な経路の方がより実用的である可能性があることを示唆しています 17、18、19。 さらに、フィッシャー・トロプシュなどの十分に確立された工業プロセスでは、CO ベースの原料を直接利用しています20。 したがって、CO2RR の生成物としての CO は、多くの点で炭化水素よりも有利です。

方程式の反対側では、資本コストを最小限に抑えるために、安価で豊富な触媒材料も考慮する必要があります。 CO 生成に一貫して性能を発揮する最高の触媒は、Pd、Au、Ag です11,21,22。 ただし、貴金属のみから触媒を設計するのは費用対効果が高くありません。 一方、真鍮は入手しやすく、安価であり、環境への懸念もありません。 多くの研究で、真鍮を CO2RR12、23、24、25、26、27、28、29、30、31 の電極触媒として使用した有望な結果が実証されています。 Cu と Zn のバイメタル中心を持つ金属有機構造体 (MOF) 由来の電極触媒により、88% FE を含む CO が生成されました。 フタロシアニン分子は、CuN4 中心と ZnO4 中心間の相乗作用を促進して、高速で CO を生成します 32。 別の研究では、カーボン ナノチューブ (CNT) 上に担持された酸化真鍮ナノ粒子が、多段階焼成法を使用して合成されました。 彼らは、CO については約 50% FE、合成ガスについては約 90% FE を報告しました33。 真鍮ベースのナノ粒子は有望な性能を持っていますが、特殊な化学薬品と精密な合成技術が必要なため、そのスケーリングは困難でコストがかかる場合があります。 したがって、産業上の観点からは、ナノ粒子が常に最も実用的であるとは限りません 34,35。 その結果、ナノフォームと構造は金属箔から直接製造されました5、26、27。 ストイコビクら。 高電位処理によりブロンズナノフォームを調製しました。 この構造は表面粗さを大幅に増加させる樹枝状結晶で構成されており、その結果 CO FE が 35 ～ 40% から約 85% に改善されました 36。 しかし、ナノフォームの製造には非常に高い電流密度が必要であり、特に工業規模ではコストの負担となります37,38。 この目的を達成するには、高価な処理を必要とせずに金属スクラップを直接使用することが、最も費用対効果が高く、環境的に持続可能な代替手段であると考えられます。 さらに、CO2RR におけるさまざまな Cu-Zn ベースの電極触媒の高い活性が報告されているにもかかわらず、それらを別の金属と合金化することによる CO2 削減性能への影響はまだ欠けています 39。