احیای انتخاب پذیر کربن دی اکسید به اتیلن و الکل های چند کربنی توسط ساختن ساختارهای نانویی با الکترولیت

---

تاریخ انتشار روی سایت: 17 اسفند ماه 1402

تاریخ انتشار بر روی ژورنال: 20 آبان ماه 1398

نویسندگان: Dunfeng Gao, Ilya Sinev, Fabian Scholten, Rosa M. Arán-Ais, Nuria J. Divins, Kristina Kvashnina, Janis Timoshenko, Beatriz Roldan Cuenya

DOI: https://doi.org/10.1002/ange.201910155

نگارشگر خلاصه نامه: سید امیرحسین میرصدری

بسیاری از تحقیقات الکتروشیمیایی امروزه متوجه تبدیل کربن دی اکسید به محصولات خوب است که به اصطلاح به آن Carbon Capture گفته میشود. مطالعات بسیار نشان داده بود که فلز مس میتواند الکتروکاتالیست مناسبی برای این نوع از واکنشها باشد. از اینرو که بازده فارادیی و شدت جریان بسیار مناسب و پایداری را از خود نمایش میداد ولی بیشتر نسبت به متان و ترکیبات دو کربنی مانند اتیلن انتخاب پذیر بود. در میانه تحقیقات دانشمندان، یک چیز بیشتر مورد توجه است و آن چیزی نیست جز شکل و ساختار الکترود و الکتروکاتالیست!. بنابراین نانوکامپوزیت ها با ساختارهای نانویی مختلف میتوانند انتخاب پذیری و بازده های مختلفی از خود نشان دهند. در این مقاله سعی شده الکتروکاتالیست هایی برپایه فلز مس و هالیدها (CuX) و کربنات ساخته شود و اثرگزاری آنها بر روی بازدهی و انتخاب پذیری نسبت به اتیلن و الکل های چند کربنه مورد بررسی قرار گیرد. الکتروکاتالیست ها شامل CuCl, CuBr, CuI و CuCO₃ بودند. از اینرو الکتروکاتالیستهای مس-هالید و کربناتی به روش رسوبگیری الکتروشیمیایی (Electro deposition) بر روی الکترود شکل گرفته و در محیط 0/1 مولار پتاسیم هیدروژن کربنات قرار گرفت که منجر به بازدهی بالای هشتاد درصد و چگالی جریان احیایی 31/2 میلی آمپر بر هر سانتی متر مربع شد.

وقتی 1 ساعت از واکنش احیایی تبدیل کربن دی اکسید به ترکیبات مختلف گذشت، تصاویر میکروسکوپ الکترونی مطلب جالبی را متوجه پژوهشگران کرد و آن هم این بود که سطح الکتروکاتالیست ها بعد از مدت 1 ساعت تغییر میکند! و بسیاری از هالیدها از روی سطح الکترود خارج شده بودند و خود این مسئله میتواند بر روی بازدهی تاثیر بگزارد. کربنات ها که کاملا خارج شده بودند و فقط حفره هایی بجای مانده بود برروی سطح الکترود مس خالص و هالیدها نیز سطح بسیار زمختی شده بودند که بررسی آزمایشات ظرفیت دولایه ای نشان داد الکتروکاتالیست حاوی ید از الکتروکاتالیست حاوی برم بسیار زمختتر شده بود. مطالعات طیف اشعه فلورسانس ایکس (HERFD-XANES) توسط روش تجمعی خطی (Linear combination analysis-LCA) نشان داد بعد از یک ساعت از واکنش احیایی، بر روی الکتروکاتالیستهای CuI و CuBr هیچ گونه اکسید مس (Cu₂O) دیده نمیشود ولی بر الکتروکاتالیستهای کلرید به اندازه 14 درصد Cu₂O و 3 درصد CuO ایجاد میشود، همچنین کربنات ها هم تا 1 ساعت کلا باقی نمیماندند. مطالعات طیف XPS نیز نشان داد بعد از 1 ساعت از واکنش احیایی، مس یدید تغییری بر روی سطحش را احساس نمیکند ولی مس برمید به اندازه 65 درصد Cu₂O را تحربه میکند.

همچنین مس کلرید نیز بر روی سطح الکتروکاتالیست 56 درصد باقی میماند و 31 درصد آن تبدیل به Cu₂O و 12 درصد آن تبدیل به CuCl₂ میشود. هرچند سطح کربناته هم تبدیل به مس اکسید و مس کربنات میشود. انتخاب پذیری و فعالیت و بازدهی آنها توسط توسط واکنش کرونوآمپرومتری مورد بررسی قرار گرفت و که تمام الکتروکاتالیست ها نسبت به الکترود مس پولیش شده بازدهی بیشتری از خود نشان دادند. در حالت عادی و در -1 ولت یدید بیشترین چگالی جریان را از خود نشان داد ولی هنگامی که تمام نمودارها را نرمالایز کنیم اکثرا تا حدی برابر، فعالیت اختصاصی از خود نشان میدهند. بیشترین بازدهی تبدیل گاز کربن دی اکسید به الکل های چند کربنی و اتیلن در -9/0 ولت با بازدهی هشتاد درصد برای الکتروکاتالیست مس یدید بدست آمد. اما هنگامی که پتانسیل های منفی تر اعمال میکنیم، بجای اینکه به ترکیبات دو کربنی یا بیشتر از دو کربن برسیم به گاز هیدروژن میرسیم که خود دلیل بر محدودیت های انتقال جرم گاز کربن دی اکسید میباشد. در این مقاله از دستگاه های XPS, SEM, HERFD-XANES, و chronoamperometery مورد آزمایش قرار گرفت و بازدهی مناسبی نسبت به مس خالص از خود نشان دادند. برای الکتروکاتالیست های هالید در 22 ساعت پایداری چگالی جریان خوبی بدست آمد، حال آنکه الکتروکاتالیست کربناته 20 درصد افت جریان را تجربه کرد. در الکتروکاتالیست یدید که تا 5 ساعت افت کم و بعد ثابت گردید، با کم شدن جریان تولید اتیلن به متان تغییر پیدا کرد. به این معنا که با کاهش تولید اتیلن، واکنش به سمت تولید متان میرود. حال آنکه الکتروکاتالیست کربناته بطور انتخاب پذیر واکنش را به سمت متان میبرد.