Роль кислорода

Nature Communications, том 14, номер статьи: 2040 (2023) Цитировать эту статью

5484 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Электрохимическое сочетание повышения ценности биомассы с конверсией углекислого газа (CO2) обеспечивает многообещающий подход к производству химических веществ с добавленной стоимостью по обе стороны электролизера. Здесь оксигидроксид индия с высоким содержанием вакансий кислорода (InOOH-OV) разработан в качестве бифункционального катализатора для восстановления CO2 до формиата и электроокисления 5-гидроксиметилфурфурола до 2,5-фурандикарбоновой кислоты с фарадеевской эффективностью для обоих более 90,0% при оптимизированных потенциалах. Изображения, полученные электронной микроскопией атомного масштаба, и расчеты по теории функционала плотности показывают, что введение кислородных вакансий вызывает искажение решетки и перераспределение заряда. Спектры комбинационного рассеяния операндо показывают, что кислородные вакансии могут защитить InOOH-OV от дальнейшего восстановления во время конверсии CO2 и повысить конкурентоспособность адсорбции 5-гидроксиметилфурфурола по сравнению с гидроксид-ионами в щелочных электролитах, что делает InOOH-OV металлоксидным электрокатализатором с p-блоком основной группы с бифункциональная деятельность. На основе каталитических характеристик InOOH-OV изготавливается рН-асимметричная интегрированная ячейка путем объединения процессов восстановления CO2 и окисления 5-гидроксиметилфурфурола в одной электрохимической ячейке для производства 2,5-фурандикарбоновой кислоты и формиата с высокими выходами (оба около 90,0%), что обеспечивает многообещающий подход к производству ценных химических веществ одновременно на обоих электродах.

Реакция электрохимического восстановления CO2 (CO2RR) стала одной из передовых точек электрохимических исследований как для смягчения последствий глобального потепления, так и для производства ценных химических веществ1,2,3. Типичный испытательный электрод CO2RR обычно используется в сочетании с реакцией выделения кислорода (OER) в качестве противоэлектрода с высоким потреблением энергии из-за медленной кинетики реакции для OER4,5. Кроме того, продукт O2 ограничивает экономическую выгоду системы электролиза с точки зрения его текущей стоимости (~0,03 $/кг)6,7,8. Для решения этих проблем одним из многообещающих подходов могла бы стать замена OER процессом окислительной валоризации малых молекул, полученных из биомассы, с более низким термодинамическим потенциалом7, который уже доказал свою эффективность в снижении напряжения электролизной ячейки для реакции выделения водорода (HER). 5,9,10. Построив интегрированную электролизную ячейку с использованием CO2RR и окисления небольших молекул, полученных из биомассы, можно получить не только повышенную общую энергоэффективность, но и продукты с высокой добавленной стоимостью на обоих электродах.

Среди возможных продуктов восстановления CO2RR на катоде большое значение имеет муравьиная кислота (HCOOH), поскольку она может служить жизненно важным химическим промежуточным продуктом во многих промышленных процессах, потенциальным жидким соединением для хранения водорода и даже топливом, которое можно непосредственно использовать в топливные элементы на муравьиной кислоте11,12,13. Для анодной реакции многообещающим кандидатом является окисление 5-гидроксиметилфурфурола (HMF), небольшой молекулы, полученной из лигноцеллюлозной биомассы14. Благодаря наличию активных гидроксильных и альдегидных групп ГМФ может быть преобразован в различные ценные химические предшественники, полезные для химической промышленности14,15. В частности, 2,5-фурандикарбоновая кислота (FDCA), получаемая в результате окисления двух кислородсодержащих групп HMF в карбоксил, является одним из 12 основных химических веществ на основе сахаров, заявленных Министерством энергетики США16,17. Следовательно, электрохимическое соединение катодного CO2RR с реакцией анодного окисления HMF (HMFOR) должно иметь большие перспективы для синхронного производства химических веществ с добавленной стоимостью (например, HCOOH и FDCA) в одной электролизной ячейке (рис. 1a). Полуэлементные и общие реакции, представленные на рис. 1а, показаны ниже.

Чтобы обеспечить интегрированной системе высокую эффективность производства, необходимо решить две проблемы: i) необходимо разработать эффективную асимметричную электролизную ячейку, поскольку нейтральный электролит благоприятен для CO2RR18, в то время как сильная основная среда может значительно ускорить производство FDCA14,19; и ii) Необходимо повысить активность и селективность катализаторов для повышения эффективности производства как HCOOH, так и FDCA путем подавления соответствующих конкурентных реакций HER и OER на катоде и аноде соответственно. Таким образом, крайне желательно, но все еще сложно разработать класс бифункциональных катализаторов для эффективного использования CO2RR и HMFOR в электролизной ячейке с асимметричными значениями pH. Если они будут реализованы, бифункциональные катализаторы CO2RR и HMFOR смогут упростить конструкцию электролизера и избежать синтеза различных катализаторов и, следовательно, сэкономить энергию/затраты для практического применения (см. ниже).