17.03.2020 - Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)

Hierarchisch poröser, nanostrukturierter 3D-Katalysator hilft bei der effizienten CO2-Reduzierung

KAIST-Forscher entwickelten einen dreidimensionalen (3D) hierarchisch porösen nanostrukturierten Katalysator mit einer bis zu 3,96 Mal höheren Umwandlungsrate von Kohlendioxid (CO2) zu Kohlenmonoxid (CO) als bei herkömmlichen nanoporösen Goldkatalysatoren. Dieser neue Katalysator trägt dazu bei, die bestehenden Beschränkungen des Massentransports zu überwinden, der eine Hauptursache für den Rückgang der CO2-Umwandlungsrate war, und verspricht eine groß angelegte und kostengünstige elektrochemische Umwandlung von CO2 in nützliche Chemikalien.

Da die CO2-Emissionen steigen und fossile Brennstoffe weltweit erschöpft sind, hat die elektrochemische Reduzierung und Umwandlung von CO2 in saubere Energie als vielversprechende Technologie große Aufmerksamkeit erregt. Vor allem aufgrund der Tatsache, dass die CO2-Reduktionsreaktion bei ähnlichen Redoxpotenzialen konkurrierend mit Wasserstoff-Evolutions-Reaktionen (HER) abläuft, ist die Entwicklung eines effizienten Elektrokatalysators für selektive und robuste CO2-Reduktionsreaktionen eine technologische Schlüsselfrage geblieben.

Gold (Au) ist einer der am häufigsten verwendeten Katalysatoren in CO2-Reduktionsreaktionen, aber die hohen Kosten und die Knappheit von Au stellen Hindernisse für kommerzielle Massenanwendungen dar. Die Entwicklung von Nanostrukturen wurde als möglicher Ansatz zur Verbesserung der Selektivität für Zielprodukte und zur Maximierung der Anzahl aktiver stabiler Stellen und damit zur Steigerung der Energieeffizienz eingehend untersucht.

Die Nanoporen der zuvor berichteten komplexen Nanostrukturen wurden jedoch bei wässrigen Reaktionen leicht durch gasförmige CO-Blasen blockiert. Die CO-Blasen behinderten den Massentransport der Reaktanden durch den Elektrolyten, was zu niedrigen CO2-Umsetzungsraten führte.

In der am 4. März in den Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) veröffentlichten Studie hat eine Forschungsgruppe am KAIST unter der Leitung von Professor Seokwoo Jeon und Professor Jihun Oh vom Department of Materials Science and Engineering eine hierarchisch poröse 3D-Au-Nanostruktur mit zwei unterschiedlich großen Makro- und Nanoporen entworfen. Das Team verwendete Proximity-Field-Nanomuster (PnP) und galvanische Verfahren, die für die Herstellung der gut geordneten 3D-Nanostrukturen wirksam sind.

Die vorgeschlagene Nanostruktur, die aus miteinander verbundenen makroporösen Kanälen mit einer Breite von 200 bis 300 Nanometern (nm) und 10 nm Nanoporen besteht, induziert einen effizienten Massentransport durch die miteinander verbundenen makroporösen Kanäle sowie eine hohe Selektivität durch die Herstellung hoch aktiver stabiler Stellen aus zahlreichen Nanoporen.

Als Ergebnis zeigen die Elektroden eine hohe CO-Selektivität von 85,8% bei einem niedrigen Überpotential von 0,264 V und eine effiziente Massenaktivität, die bis zu 3,96 Mal höher ist als die von unlegierten nanoporösen Au-Elektroden.

"Diese Ergebnisse sollen das Problem des Massentransports im Bereich ähnlicher elektrochemischer Reaktionen lösen und können auf ein breites Spektrum von Anwendungen im Bereich grüner Energie zur effizienten Nutzung von Elektrokatalysatoren angewendet werden", so die Forscher.

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