Riduzione elettrochimica selettiva della CO2 su Cu bimetallico composizionalmente variante

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13456 (2022) Citare questo articolo

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La riduzione elettrocatalitica del biossido di carbonio (CO2RR) in combustibili a valore aggiunto è un’iniziativa promettente per superare gli effetti negativi della CO2 sul cambiamento climatico. La maggior parte degli elettrocatalizzatori studiati, tuttavia, trascurano le pratiche minerarie dannose utilizzate per estrarre questi catalizzatori nel tentativo di ottenere prestazioni elevate. Il riutilizzo dei rottami metallici da utilizzare come elettrocatalizzatori alternativi otterrebbe quindi un elevato privilegio anche a scapito delle prestazioni elevate. In questo lavoro, abbiamo dimostrato il riutilizzo di leghe di ottone di scarto con diverso contenuto di Zn per la conversione della CO2 in monossido di carbonio e formiato. Le leghe di scarto sono state attivate verso la CO2RR tramite semplice ricottura in aria e rese più selettive verso la produzione di CO attraverso la sostituzione galvanica con Ag. Dopo la sostituzione galvanica con Ag, gli elettrocatalizzatori a base di rottami di ottone hanno mostrato una maggiore densità di corrente per la produzione di CO con una migliore selettività verso la formazione di CO. I calcoli della teoria del funzionale della densità (DFT) sono stati utilizzati per chiarire il potenziale meccanismo e la selettività dei catalizzatori di rottami di ottone verso CO2RR. È stato chiarito il centro della banda D nei diversi campioni di ottone con diverso contenuto di Zn.

Per mitigare gli effetti dannosi del cambiamento climatico, la comunità scientifica sta perseguendo una visione di sostenibilità che rientri nei confini planetari. L’elevata domanda di energia ha portato al consumo eccessivo di combustibili fossili e alle emissioni eccessive di anidride carbonica (CO2)1,2. Anche l’estrazione eccessiva di minerali, dovuta a una generale scarsa regolamentazione, è intrappolata in una rete di danni ambientali e sociali3,4. Pertanto, un considerevole lavoro di ricerca è volto ad allontanarsi dall’estrazione di metalli e dalla combustione di combustibili fossili verso alternative più ecologiche5,6. Sviluppare una soluzione che faccia uso di fonti energetiche rinnovabili e creare una base per programmi di riciclaggio a prezzi accessibili sono la chiave per un futuro sostenibile7,8.

Pertanto, come passo promettente verso la chiusura del ciclo del carbonio, la reazione elettrocatalitica di riduzione della CO2 (CO2RR) ha raccolto un vasto interesse di ricerca. Nonostante si sia rivelata una reazione complessa, molti studi hanno dimostrato ottimi risultati utilizzando un'ampia varietà di elettrocatalizzatori9,10,11,12,13,14. L’obiettivo principale di questi studi è quello di ridimensionare questo processo in modo che possa competere con i metodi di produzione di energia esistenti. Prendere decisioni volte a minimizzare sia i costi di capitale che quelli di esercizio sono quindi considerazioni essenziali. Per quanto riguarda quest’ultimo, convertire la CO2 direttamente in idrocarburi superiori (C2+) utilizzando il rame (Cu), il catalizzatore preferito, è un compito impegnativo. Questo perché il Cu non è selettivo e produce una varietà di idrocarburi con scarsa efficienza faradica (FE)15. Da un punto di vista industriale, è preferibile produrre un singolo prodotto ad alto FE piuttosto che molti a basso FE perché risparmierebbe i costi di separazione. Un’altra sfida è che convertendo la CO2 direttamente in CH4 ci si trova ad affrontare elevati sovrapotenziali, che possono essere una significativa fonte di inefficienza16. I modelli tecnoeconomici suggeriscono che un percorso indiretto per la produzione di idrocarburi tramite monossido di carbonio (CO) può essere più pratico alla luce della fattibilità commerciale17,18,19. Inoltre, processi industriali consolidati, come Fischer–Tropsch, utilizzano materie prime dirette basate sulla CO20. Pertanto, la CO come prodotto della CO2RR è sotto molti aspetti più vantaggiosa rispetto agli idrocarburi.

D’altro canto, è necessario considerare anche materiali catalizzatori economici e abbondanti per ridurre al minimo i costi di capitale. I catalizzatori migliori e con prestazioni costanti per la produzione di CO sono Pd, Au e Ag11,21,22. Tuttavia, progettare un catalizzatore utilizzando solo metalli nobili non è economicamente vantaggioso. L’ottone, d’altro canto, è ampiamente disponibile, economico e non presenta alcun problema ambientale. Molti studi hanno dimostrato risultati promettenti con l’ottone come elettrocatalizzatore per CO2RR12,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Un elettrocatalizzatore derivato da una struttura metallo-organica (MOF) con centri bimetallici Cu e Zn ha generato CO con l'88% di FE. La molecola di ftalocianina ha facilitato il sinergismo tra i centri CuN4 e ZnO4 per produrre CO ad un ritmo elevato32. In un altro studio, nanoparticelle di ottone ossidato supportate su nanotubi di carbonio (CNT) sono state sintetizzate utilizzando un metodo di calcinazione a più fasi. Hanno riportato ≈ 50% FE per la CO e ≈ 90% FE per il gas di sintesi33. Nonostante le prestazioni promettenti delle nanoparticelle a base di ottone, il loro ridimensionamento può essere impegnativo e costoso a causa della necessità di sostanze chimiche specializzate e di tecniche di sintesi precise. Pertanto, le nanoparticelle non sono sempre le più pratiche dal punto di vista industriale34,35. Di conseguenza, le nanoschiume e le strutture sono state prodotte direttamente da fogli metallici5,26,27. Stojkovikj et al. nanoschiuma di bronzo preparata tramite lavorazione ad alto potenziale. La struttura era costituita da dendriti che aumentavano sostanzialmente la ruvidità superficiale, con conseguente miglioramento del COFE dal 35–40% a ≈ 85%36. Tuttavia, la produzione di nanoschiuma richiede densità di corrente estremamente elevate, il che rappresenta un onere in termini di costi, soprattutto su scala industriale37,38. A tal fine, l’utilizzo diretto dei rottami metallici senza la necessità di costose lavorazioni sembra essere l’alternativa più economicamente vantaggiosa e sostenibile dal punto di vista ambientale. Inoltre, nonostante l’elevata attività segnalata di diversi elettrocatalizzatori a base di Cu-Zn nella CO2RR, l’effetto della loro lega con un altro metallo sulle prestazioni di riduzione della CO2 è ancora carente39.