تنظیم اشباعیت مس میتواند باعث طراحی الکتروشیمیایی فرایند سنتز گاز از کربن دی اکسید شود

---

تاریخ انتشار روی سایت: 3 اسفند ماه 1402

تاریخ انتشار بر روی ژورنال: 8 تیر ماه 1396

نویسندگان: Michael B. Ross, Cao Thang Dinh, Yifan Li, Dohyung Kim, Phil De Luna, Edward H. Sargent, and Peidong Yang

DOI: https://dx.doi.org/10.1021/jacs.7b04892

نگارشگر خلاصه نامه: سید امیرحسین میرصدری

امروزه بسیاری از دانشمندان تحقیقات خود را به سمت و سوی سنتزهای کربن پایه کرده اند که عموما از جذب گاز کربن دی اکسید آغاز میشود. به این معنا که کربن دی اکسید را به نحوی تبدیل به ترکیبات کربنی خوب دیگری کنیم تا بتوانیم بهتر ذخیره و یا استفاده کنیم. این کار میتواند بسیار در فرایندهای اتمسفری تاثیر گذاشته و علاوه بر ایجاد هوای پاک دسترسی به شاخه جدیدی از انرژی های تجدیدپذیر را ممکن سازد. برای رسیدن به فرایندی که هم ارزان باشد و هم در شرایط سنتزی معمولی و آرام یعنی در دما و فشار محیط انجام شود نیاز به مطالعه بسیار دقیق در رفتار ماده ها در شرایط سنتزی داریم. شاخه احیای الکتروشیمیایی کربن دی اکسید یکی از شاخه های سنتزی کربن دی اکسید است که امروزه به دلیل انجام شدن در دما و فشار محیط بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این مقاله سعی شده با تغییر ساختار الکترود طلا با مس به ساختاری برای بهتر تبدیل کردن کربن دی اکسید به کربن مونوکسید و همچنین هیدروژن رسید. به گازهای سنتز شده از کربن دی اکسید گازهای سنتزی و یا ‘Syngas’ گفته میشود. از آنجایی که تبدیل الکتروشیمیایی کربن دی اکسید میتواند به محصولات کربنی مختلفی تبدیل شود، ما به فرایندها انتخابی بیشتری نیاز داریم و بررسی این مورد از اهم موضوعات است.

دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که تغییر الکترود طلا با مس در فرایند الکتروشیمایی میتواند بر بازده تبدیل و انتخاب پذیری کربن مونکسید و هیدروژن حاصل از احیای کربن دی اکسید رسید. نه اینکه بخواهیم آلیاژی از فلزات طلا و مس ساخت، بلکه تنها با تک لایه نشانی توسط رسوبگیری و بسترنشانی الکتروشیمایی (electrochemical underpotential deposition) به آن میرسیم. در این روش میتوانیم لایه هایی از اتمهای کمتر نوبل مثل مس را بر روی فلزی نوبلتر مانند طلا بنشانیم. همچنیان این روش میتواند روش شناسایی رامان اسپکتروسکوپی بهبود یافته را برای دنبال کردن تولید شدن و ایجاد شدن کربن مونوکسید و هیدروژن را بهتر برای ما روشن سازد. با کنترل شرایط سنتزی به لایه هایی با نسبت های 1 به 3، 2 به 3 و 1 برای قرارگیری اتم های مس در کنار طلا رسیدند. در این میان بررسی ها نشان داد مولکول های کربن مونوکسید میتوانند از سر اکسیژن بهتر با اوربیتال d فلز مس برهمکنش داشته باشند. هرچند که کربن مونوکسید میتواند با فلز طلا هم پیوند برقرار کند ولی بررسی ها حاکی از آن بود که بسترنشانی اتمهای مس بر روی طلا میتواند ساختارهای الکترونی کئوردیناسیونی بهتری بر روی سطح طلا برای جذب بهتر مولکول های کربن مونوکسید و هیدروژن شود.

. این اطلاعات مهم از بررسی طیف رامانی که مستقیم از سر الکترود حین واکنش گرفته شده بود بدست آمد که حاصل نمودارهایی شده بود که نشان میداد، هنگامی که برهمکنش مولکولی بین کربن مونوکسید و باند اوربیتالی پای اتم مس و طلا برقرار میشود، شیفت قرمز بیشتر و قویتر میشود. این مطالعات همگی بر روی برقکافت محلولی از پتاسیم هیدروژن کربنات نیم مولار انجام شده بود و تماما نتایج توسط محاسبات (DFT) مورد تایید قرار گرفته بود. برای بهتر متوجه شدن جذب کربن مونوکسید، انرژی آزاد گیبس برای جذب سطحی مورد مطالعه قرار گرفت که نشان داد جذب جفت گاز هیدروژن و کربن مونوکسید روی سطج الکترود طلا نسبت به مس (1،1،1) در انرژی های بالا و مثبت انجام میشود که نشان از غیر خود به خودی و ناخواسته است. همچنین تمام آزمایشات حاکی از بهتر جذب و واجذب و واکنش کربن مونوکسید و هیدروژن روی سطح الکترود داشت. بنابراین الکترود طلای پوشانیده شده توسط اتمهای مس با نسبت 3 به 3 (یعنی لایه ی کامل اتمهای مس) بازده بالای 70 درصد برای تبدیل کربن دی اکسید به کربن مونوکسید از خود نشان دادند. ابن واکنش ها توسط دستگاه رامان و میکروسکوپ الکترونی و XPS و ولتامتری چرخه ای مورد بررسی قرار گرفته شد.