Нанопроволоки серебра улучшили электрод для переработки углекислого газа

Корейские химики модифицировали электрод серебряными нанопроволоками, что позволило решить проблему его затопления. Технология делает электрохимическую реакцию восстановления CO₂ в химические вещества с добавленной стоимостью более привлекательной для использования. Исследование опубликовано в Advanced Science.

Существуют различные стратегии по уменьшению содержания углекислого газа в атмосфере, и одной из них является его переработка. Многообещающим ее методом считается электрохимическая реакция восстановления CO₂ до соединений, которые затем используются для получения новых органических молекул. Однако критическое ограничение метода связано с изначально низкой растворимостью CO₂ в водном электролите, которая мешает его массопереносу к поверхности катализатора и, как следствие, снижает скорость реакции. Чтобы преодолеть это ограничение, ученые разработали проточную ячейку с газодиффузионным электродом, позволяющую подавать углекислый газ непосредственно к катализатору. Это эффективно усиливает массоперенос вещества, тем самым значительно увеличивая плотность тока и приближая систему к практической реализуемости. Чтобы создать эффективные электроды такого типа, необходима высокая пористость у газодиффузионных слоев, чтобы CO₂ мог проникнуть к поверхности. Традиционно, ввиду своей масштабируемости и проводимости, для этого используются углеродсодержащие газодиффузионные слои. Однако их склонность становиться гидрофильными во время протекания реакции приводит к затоплению электрода электролитом, что серьезно ограничивает длительную работу. Имеющиеся решения в виде фторсодержащих полимерных слоев имеют низкую электрическую проводимость, что требует введения проводящих компонентов для формирования эффективных электрических путей.

Для решения данной проблемы используют осаждение металлов на полимерных слоях. Однако этот метод часто лишен возможности тонкой настройки каталитических свойств, таких как морфология и степень окисления — факторов, которые определяют кинетику реакции. Поэтому перспективными считались наночастицы металлов, которые имеют несколько практических преимуществ, включая большую площадь поверхности, масштабируемый синтез и гибкость в настройке их состава и морфологии. Большой интерес вызывали серебряные нанопроволоки, так как они могут формировать непрерывные, высокопроводящие сети посредством простого осаждения из коллоидных дисперсий, широко используемых в прозрачных проводящих электродах для оптоэлектроники. Их сетевая структура обеспечивает наличие пор для проникновения CO₂ к катализаторам при сохранении электрических путей, что делает их особенно подходящими для интеграции в газодиффузионные слои электродов.

Хенджун Сон (Hyunjoon Song) из Корейского института передовых технологий и его коллеги создали электрод с комбинированной архитектурой: на подложку из политетрафторэтилена они нанесли нанокубы оксида меди (I) (Cu₂O) в качестве каталитического слоя, а поверх — слой серебряных нанопроволок (Ag NW). Компоненты наносились путем распыления стабильных коллоидных дисперсий.

Получив электрод, исследователи провели ряд экспериментов. Для начала ученые решили выяснить, играет ли роль порядок укладки, сравнив электроды со следующими конфигурациями: CP/Cu₂O, PTFE/Ag NW/Cu₂O, PTFE/Cu₂O/Ag NW, and PTFE/Cu₂O/CB. Они обнаружили, что третья конфигурация показывает лучшие характеристики — в щелочной среде она обеспечила высокую селективность по продуктам, которые содержат более 2 атомов углерода, в основном по этилену. Кроме того, исследователи отметили подавление выделения водорода, что положительно сказалось на выходе необходимых продуктов. Дополнительные измерения показали, что серебряные нанопроволоки формируют эффективные проводящие пути и улучшают транспортировку CO₂ к активным центрам, а также помогают сохранять пористую структуру, обеспечивая газопроницаемость на протяжение всего рабочего периода.

Спектроскопия рентгеновского поглощения показала, что серебро препятствует полному восстановлению меди до Cu (0), сохраняя баланс между Cu (0) и Cu (I), что благоприятствует образованию продуктов со связью углерод-углерод. При этом серебряные нанопроволоки генерируют CO, который затем используется в дальнейших реакциях. Ученые изучили, как электрод ведет себя в нейтральном электролите — он показал эффективность на уровне 86% и двукратное преимущество по плотности тока по сравнению с классическими системами, при этом сохранив стабильность в течение десятка часов без значительной деградации.

Авторы отмечают, что предложенная архитектура может стать универсальной для различных электродов с нанокатализаторами. Сочетание гидрофобной подложки, активного слоя и проводящей серебряной сети позволяет одновременно решить проблемы с транспортировкой углекислого газа, переносом заряда и селективностью получаемых продуктов. Подобные свойства делают эти электроды крайне перспективными для переработки CO₂.

Существуют и другие способы переработки углекислого газа в полезный продукт. Ранее мы писали про новый катализатор, превращающий CO₂ в метанол.