Ống nano carbon cong tăng cường chất xúc tác điện để trung hòa carbon
của Đại học Thành phố Hồng Kông
Nhà cung cấp: Chất xúc tác tự nhiên (2023). DOI: 10.1038/s41929-023-01005-3
Xúc tác điện đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển năng lượng sạch, công nghệ loại bỏ khí nhà kính và lưu trữ năng lượng. Một nghiên cứu do các nhà nghiên cứu của Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) đồng chủ trì đã phát hiện ra rằng ống nano carbon đơn vách là chất nền tuyệt vời để tăng cường chuyển đổi khí nhà kính thông qua độ cong phân tử.
Bằng cách sử dụng các ống nano này để hỗ trợ tạo ra sức căng cho chất xúc tác điện, hiệu quả khử carbon dioxide thành metanol có thể được cải thiện đáng kể.
Bước đột phá này mở ra con đường phát triển các chất xúc tác điện phân tử cong để chuyển đổi hiệu quả carbon dioxide (CO2), một trong những loại khí nhà kính quan trọng, thành hóa chất và nhiên liệu hữu ích, nhờ đó giảm lượng khí thải carbon. Tác phẩm được xuất bản trên tạp chí Nature Catalysis.
Nhiều phức hợp phân tử, như coban phthalocyanine (CoPc), là chất xúc tác hiệu quả cho phản ứng khử CO2 (CO2RR). Tuy nhiên, chúng chủ yếu khử CO2 thành cacbon monoxit (CO) độc hại mà không tạo ra thêm một lượng đáng kể các sản phẩm hữu ích, như metanol. Giáo sư Ye Ruquan, thuộc Khoa Hóa học tại Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU), người đứng đầu nghiên cứu cho biết: “Vì vậy, chúng tôi muốn khám phá tiềm năng của CoPc ngoài việc sản xuất CO2”.
Đồng thời, biến dạng được biết là có ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu hai chiều, thường ở quy mô nanomet (nm). Giáo sư Ye giải thích: “Việc sử dụng các chất nền cong hoặc các giá đỡ để tạo ra sức căng cục bộ đã được thiết lập tốt để điều chỉnh các đặc tính của vật liệu phân lớp thông thường”.
"Nhưng việc kiểm soát hợp lý chủng phân tử phẳng là một thách thức do kích thước siêu nhỏ của chúng. Và cách thức chủng này ảnh hưởng đến tính chất phân tử vẫn chưa được hiểu rõ."
Cùng với các cộng tác viên của mình, Giáo sư Ye đã lãnh đạo một nhóm nghiên cứu điều tra khả năng phản ứng của chất xúc tác CoPc phân tử ở quy mô nanomet bằng cách áp dụng kỹ thuật biến dạng cảm ứng hỗ trợ. Họ đã đưa thành công chủng có kiểm soát vào các phân tử xúc tác có kích thước dưới 2 nm bằng cách sử dụng ống nano cacbon đơn vách làm chất hỗ trợ.
Độ cong của ống nano do tương tác phân tử gây ra sức căng lên các phân tử xúc tác, dẫn đến sự uốn cong. Việc sử dụng chất nền ống nano carbon với các đường kính khác nhau cho phép chúng điều chỉnh góc uốn của các phân tử CoPc từ 96° (đối với ống nano carbon đường kính 1 nm) đến 1,5° (đối với ống nano carbon đường kính 100 nm).
So với các phân tử phẳng truyền thống, các phân tử cong thể hiện hiệu suất xúc tác điện được cải thiện. Chúng cho thấy khả năng chọn lọc cao hơn trong việc giảm CO2, ưu tiên sản xuất metanol hơn cacbon monoxit.
Trong máy điện phân dòng song song có CoPc đơn phân tán trên ống nano cacbon đơn vách để giảm CO2, nhóm nghiên cứu đã đạt được mật độ dòng riêng phần metanol trên 90 mA cm−2 với độ chọn lọc hơn 60%, nghĩa là tổng lượng CO2 chuyển thành- hiệu suất metanol là 60%. Đây là một cải tiến đáng kể so với các phương pháp hiện có.
Phân tích của họ dựa trên các tính toán lý thuyết đã xác nhận rằng CoPc cong trên ống nano cacbon đơn vách đã tăng cường khả năng liên kết với CO, cho phép giảm lượng khí carbon monoxide. Ngược lại, ống nano cacbon đa vách rộng lại có lợi cho việc giải phóng CO.
Giáo sư Ye cho biết: “Phát hiện của chúng tôi cho thấy ống nano carbon là vật liệu hỗ trợ đặc biệt cho các chất xúc tác như CoPc. Diện tích bề mặt riêng lớn của ống nano carbon dễ dàng phân tán các hạt nano, tránh sự kết tụ và độ dẫn điện tử cao của chúng khiến chúng có triển vọng cho các ứng dụng điện hóa”.
"Quan trọng hơn, chúng tôi đã chứng minh rằng việc tạo ra sự biến dạng phân tử thông qua ống nano carbon đơn vách mang lại chiến lược thiết kế chất xúc tác điện phân tử hiệu suất cao. Tiến bộ này hứa hẹn đạt được tính trung hòa carbon vì nó có thể lưu trữ CO2 và điện tái tạo dưới dạng năng lượng hóa học", ông nói. kết luận.
