Nouvelles

Dec 03, 2023

Réduction électrochimique sélective du CO2 sur Cu bimétallique à composition variable

Rapports scientifiques volume 12,

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13456 (2022) Citer cet article

3087 accès

8 Citations

Détails des métriques

La réduction électrocatalytique du dioxyde de carbone (CO2RR) en carburants à valeur ajoutée est une initiative prometteuse pour surmonter les effets néfastes du CO2 sur le changement climatique. Cependant, la plupart des électrocatalyseurs étudiés négligent les pratiques minières nocives utilisées pour extraire ces catalyseurs dans le but d'atteindre des performances élevées. La réutilisation de la ferraille à utiliser comme électrocatalyseurs alternatifs aurait donc un privilège élevé, même au compromis de hautes performances. Dans ce travail, nous avons démontré la réutilisation de déchets d'alliages de laiton avec différentes teneurs en Zn pour la conversion du CO2 en monoxyde de carbone et formiate. Les alliages de ferraille ont été activés vis-à-vis du CO2RR via un simple recuit à l'air et rendus plus sélectifs vis-à-vis de la production de CO grâce au remplacement galvanique par Ag. Lors du remplacement galvanique par Ag, les électrocatalyseurs à base de ferraille ont montré une densité de courant améliorée pour la production de CO avec une meilleure sélectivité envers la formation de CO. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été utilisés pour élucider le mécanisme potentiel et la sélectivité des catalyseurs en laiton de ferraille vers le CO2RR. Le centre de la bande d dans les différents échantillons de laiton avec différentes teneurs en Zn a été élucidé.

Pour atténuer les effets néfastes du changement climatique, la communauté scientifique poursuit une vision de la durabilité qui s'inscrit sous les frontières planétaires. La forte demande énergétique a entraîné une surconsommation de combustibles fossiles et des émissions excessives de dioxyde de carbone (CO2)1,2. L'extraction excessive de minerais, due à une mauvaise réglementation générale, est également empêtrée dans un réseau de dommages environnementaux et sociétaux3,4. Par conséquent, des travaux de recherche considérables visent à s'éloigner de l'extraction de métaux et de la combustion de combustibles fossiles vers des alternatives plus vertes5,6. Le développement d'une solution qui utilisera des sources d'énergie renouvelables et la création d'une base pour des programmes de recyclage abordables sont la clé d'un avenir durable7,8.

Ainsi, en tant qu'étape prometteuse vers la fermeture du cycle du carbone, la réaction de réduction électrocatalytique du CO2 (CO2RR) a suscité un vaste intérêt pour la recherche. Bien qu'il s'agisse d'une réaction complexe, de nombreuses études ont démontré de solides résultats en utilisant une grande variété d'électrocatalyseurs9,10,11,12,13,14. L'objectif sous-jacent de ces études est de mettre à l'échelle ce processus afin qu'il puisse concurrencer les méthodes de production d'énergie existantes. Prendre des décisions visant à minimiser à la fois les coûts d'investissement et de fonctionnement sont donc des considérations essentielles. En ce qui concerne ce dernier, convertir le CO2 directement en hydrocarbures supérieurs (C2+) en utilisant le cuivre (Cu), le catalyseur de choix, est une tâche difficile. Notamment parce que Cu n'est pas sélectif et produit une variété d'hydrocarbures avec de faibles rendements faradiques (FE)15. D'un point de vue industriel, il est préférable de fabriquer un seul produit à haut FE plutôt que plusieurs à bas FE car cela épargnerait les coûts de séparation. Un autre défi est qu'en convertissant le CO2 directement en CH4, on fait face à des surpotentiels élevés, qui peuvent être une source importante d'inefficacité16. Les modèles technico-économiques suggèrent qu'une voie indirecte pour la production d'hydrocarbures via le monoxyde de carbone (CO) peut être plus pratique à la lumière de la viabilité commerciale17,18,19. De plus, des procédés industriels bien établis, tels que Fischer-Tropsch, utilisent des matières premières directes à base de CO20. Ainsi, le CO en tant que produit du CO2RR est à bien des égards plus favorable que les hydrocarbures.

De l'autre côté de l'équation, des matériaux catalytiques bon marché et abondants doivent également être pris en compte pour minimiser les coûts d'investissement. Les catalyseurs les plus performants et les plus performants pour la production de CO sont Pd, Au et Ag11,21,22. Cependant, concevoir un catalyseur uniquement à partir de métaux nobles n'est pas rentable. Le laiton, en revanche, est largement disponible, bon marché et ne pose aucun problème environnemental. De nombreuses études ont démontré des résultats prometteurs avec le laiton comme électrocatalyseur pour le CO2RR12,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Un électrocatalyseur dérivé d'un cadre métal-organique (MOF) avec des centres bimétalliques Cu et Zn a généré du CO avec 88% de FE. La molécule de phtalocyanine a facilité la synergie entre les centres CuN4 et ZnO4 pour produire du CO à un taux élevé32. Dans une autre étude, des nanoparticules de laiton oxydées supportées sur des nanotubes de carbone (CNT) ont été synthétisées à l'aide d'une méthode de calcination en plusieurs étapes. Ils ont rapporté ≈ 50 % FE pour le CO et ≈ 90 % FE pour le gaz de synthèse33. Malgré les performances prometteuses des nanoparticules à base de laiton, leur mise à l'échelle peut être difficile et coûteuse en raison de l'exigence de produits chimiques spécialisés et de techniques de synthèse précises. Les nanoparticules ne sont donc pas toujours les plus pratiques d'un point de vue industriel34,35. Par conséquent, les nanomousses et les structures ont été produites directement à partir de feuilles métalliques5,26,27. Stojkovikj et al. nanomousse de bronze préparée via un traitement à haut potentiel. La structure était constituée de dendrites qui augmentaient considérablement la rugosité de la surface, entraînant une amélioration du CO FE de 35 à 40 % à ≈ 85 %36. Cependant, la production de nanomousse nécessite des densités de courant extrêmement élevées, ce qui représente un fardeau financier, en particulier à l'échelle industrielle37,38. À cette fin, l'utilisation directe de déchets métalliques sans nécessiter de traitement coûteux semble être l'alternative la plus rentable et la plus durable sur le plan environnemental. De plus, malgré la forte activité rapportée de différents électrocatalyseurs à base de Cu-Zn dans le CO2RR, l'effet de leur alliage avec un autre métal sur les performances de réduction du CO2 fait toujours défaut39.

Ici, nous explorons l'utilisation de déchets d'alliages de laiton avec différentes teneurs en Zn CO2RR comme base pour le développement d'une nouvelle plate-forme d'électrocatalyseurs recyclés. L'activité et la sélectivité des catalyseurs en laiton ont été améliorées à l'aide de méthodes peu coûteuses et grâce au dépôt contrôlé d'Ag, qui stabilise le ZnO et introduit des sites plus actifs pour la production de CO. De plus, des simulations de la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) ont été utilisées pour aider à comprendre le mécanisme par lequel les catalyseurs facilitent la formation de CO et sa sélectivité par rapport aux autres produits.

L'ammoniaque à 25 %, le sulfate d'ammonium (≥ 99,0 %) et le nitrate d'argent (≥ 99,0 %) ont été obtenus auprès de Sigma Aldrich. Le bicarbonate de potassium (99 %) a été obtenu auprès d'Alfa Aesar. Les alliages de laiton de différentes compositions ont été découpés en feuilles de 1,5 × 3,0 cm. Tous les réactifs ont été utilisés sans autre purification. De l'eau ultrapure MilliQ a été appliquée tout au long de l'étude.

Les échantillons (1-CuZn avec 5 % de Zn, 2-CuZn avec 15 % de Zn, 3-CuZn avec 30 % de Zn et 4-CuZn avec 50 % de Zn) ont été polis avec du papier de verre de grain 1 200 jusqu'à l'obtention d'une surface lisse et homogène. obtenu. Ensuite, ils ont été soniqués pendant 2 min, une fois dans de l'éthanol puis dans de l'eau distillée. Enfin, les échantillons ont été recuits à l'air pendant une heure à 500 °C avec une vitesse de 10 °C/min. La composition globale des échantillons a été analysée par des mesures de rayons X à dispersion d'énergie (EDX), voir Fig. S5.

L'Ag a été déposé par remplacement galvanique. Une solution de 50 ml de NH4OH 1,68 M a été préparée, puis 7,664 g de (NH4)2SO4 et 0,8494 g d'AgNO3 ont été ajoutés, et le mélange a été agité en continu. La ferraille a été plongée dans la solution préparée pendant un certain nombre de secondes.

La réaction de réduction électrochimique du CO2 a été réalisée dans une cellule en verre de type H étanche aux gaz avec deux compartiments séparés par une membrane échangeuse de protons (Nafion 117). Un potentiostat/galvanostat de type Biologic SP300 a été utilisé pour toutes les expériences électrochimiques dans une configuration à 3 électrodes. La contre-électrode utilisée était une bobine de platine et l'électrode de référence était Ag/AgCl (KCl sat.). Sauf indication contraire, l'électrolyte utilisé pour toutes les mesures était du KHCO3 aqueux 0,5 M pour les compartiments cathodique et anodique, qui a été barboté avec 99,999 % de CO2 pendant 30 min. Le catholyte a été continuellement agité et avait un volume de 40 ml. Les potentiels mesurés ont été convertis à l'échelle de référence de l'électrode à hydrogène réversible (RHE) à l'aide de la formule. ERHE = EAg/AgCl + 0,197 V + 0,059 pH. Tous les courants ont été normalisés à la surface géométrique des électrodes. Le pH de l'électrolyte a été mesuré à 7,5. Lors des mesures de chronoampérométrie, les produits en phase gazeuse ont été quantifiés par une chromatographie en phase gazeuse (SRI 8610C Multi-gas #5, 6′ Haysep D et 6′ Molecular Sieve 5A) directement connectée au compartiment cathodique via la boucle de prélèvement en ligne. La chromatographie en phase gazeuse était équipée d'un détecteur à couple thermique (TCD) et d'un détecteur à ionisation de flamme (FID) avec de l'argon (99,9999 %) appliqué comme gaz porteur. Les produits en phase liquide ont été quantifiés par chromatographie liquide haute performance (HPLC, Eclipse XBD-C18) avec un débit de 0,6 ml/min et de l'eau déminéralisée acidifiée de qualité HPLC comme phase mobile.

La morphologie des échantillons de laiton a été caractérisée par un microscope électronique à balayage à émission de champ Zeiss SEM Ultra 60 (FESEM) avec une tension appliquée de 8 kV, et la composition élémentaire a été déterminée à l'aide d'une analyse par rayons X à dispersion d'énergie (EDX) fixée à l'équipement SEM. Le diffractomètre à rayons X Rigaku SmartLab a été utilisé pour enregistrer les spectres de diffraction des rayons X incidents rasants (GIXRD) dans la plage 2θ de 5° à 80° à un pas de 0,007°.

Pour les calculs DFT, le standard Cambridge Serial Total Energy Package (CASTEP) implémenté dans Materials Studio version 2017 a été utilisé40. Nous avons commencé avec la cellule unitaire Cu3Zn, puis une supercellule (3 × 3) a été créée pour simuler les quatre structures différentes. Une surface (111) a été clivée, qui a été choisie en fonction des résultats expérimentaux. Une dalle sous vide de 15 Å a été incluse pour éviter toute interaction avec son image. Pour le 3-CuZn revêtu d'Ag, un groupe de quatre atomes d'Ag a été ajouté sur la couche supérieure. Les couches supérieure et inférieure et l'adsorbat ont pu se détendre, tandis que les deux couches intermédiaires ont été fixées. Tous les calculs polarisés en spin ont été effectués en utilisant l'approximation de gradient généralisée de Perdew, Burke et Ernzerhof (GGA-PBE) avec un pseudopotentiel ultradoux. L'énergie de coupure a été fixée à 400 eV avec un critère de convergence de 5 × 10–6 eV/Å, une force maximale de 0,01 eV/A, une contrainte maximale de 0,02 GPa, un déplacement maximal de 5 × 10–4 Å et les points k du pack de Monkhorst l'échantillonnage a été défini sur une grille de 2 × 2 × 1. Nous avons également effectué une recherche d'état de transition (TS) en utilisant le protocole complet de transit synchrone linéaire/transit synchrone quadratique (LST/QST) avec une convergence quadratique moyenne (RMS) de 0,01 eV/Å pour identifier les barrières énergétiques pour la réaction. Les calculs de la bande élastique poussée (NEB) ont été effectués pour confirmer les états de transition de la réaction.

En ce qui concerne l'effet du solvant et la solvatation du CO2, les facteurs de correction suivants ont été utilisés ; − 0,51 eV, 0,13 eV, 0,25 eV et 0,5 eV pour les espèces CO*, CO2*, COOH* et OH*, respectivement. Il s'agit d'une pratique courante pour la modélisation informatique du CO2RR car elle permet d'économiser considérablement les coûts de calcul41,42. Pour confirmer davantage la précision de cette correction de la phase gazeuse PBE, nous avons effectué un calcul pilote pour le CO* à l'aide du modèle de solvant COSMO pour un solvant aqueux avec une constante diélectrique de 78,54, où la différence s'est avérée inférieure à 0,1.

Les échantillons de ferraille de laiton ont été recuits à 500 °C à l'air pour oxyder la surface et permettre la nanostructuration43,44,45,46. Lors de l'augmentation de la teneur en Zn dans l'échantillon de laiton, le recuit a entraîné la formation de différentes nanostructures, voir Fig. 1. L'échantillon avec la plus faible teneur en Zn (5% Zn) montre la formation de nanocubes déformés sur la surface (Fig. 1a ), qui sont typiquement observés pour CuO et Cu2O47. Lors de l'augmentation de la teneur en Zn, des nanoaiguilles commencent à se former à la surface de tous les échantillons, ce qui peut être attribué à la formation de ZnO avec une structure de réseau hexagonale48,49. Notez que Zn a une affinité d'oxydation plus élevée que Cu50. Par conséquent, lors du chauffage, les atomes de Zn diffusent vers la surface le long des joints de grains, où ils sont ensuite oxydés et forment les structures de nanoaiguilles. La densité de nanoaiguilles à la surface augmente avec l'augmentation de la teneur en Zn (Fig. 1b – d).

Images SEM des échantillons (a) 1-CuZn avec 5 % de Zn, (b) 2-CuZn avec 15 % de Zn, (c) 3-CuZn avec 30 % de Zn et (d) 4-CuZn avec 50 % de Zn après recuit à l'air à 500 °C pendant 1 h. ( e ) Motifs XRD à angle rasant pour les 4 échantillons après recuit à 500 ° C pendant 1 h avec une vitesse de chauffage de 10 ° C / min.

Pour mieux comprendre la structure cristalline et la composition des phases formées, des diagrammes XRD à angle de réflexion ont été enregistrés. La figure 1e indique la formation de Cu2O et CuO pour l'échantillon 1-CuZn et dans une moindre mesure pour l'échantillon 2-CuZn. Les pics de diffraction de Cu2O (JCDPS : 96-100-0064) ont été observés à 29,6° (110), 36,5° (111), 42,3° (200), 62,4° (220) et 73,6° (311). Les pics les plus pertinents de CuO (JCDPS : 96-110-0029) sont apparus à 32,66° (110), 35,4° (002), 38,86° (111), 48,9° (− 202), 66,6° (− 311), et 68,4° (220). Ces pics étaient absents pour les échantillons 3-CuZn et 4-CuZn. Les pics observés à 31,8° (100), 34,4° (002), 36,2° (101), 56,5° (110) et 62,8° (103) peuvent être attribués à la phase hexagonale des cristaux de ZnO (JCDPS : 96-153 -7876). Bien qu'aucun pic de Zn métallique n'ait été observé, le pic à 44,7° est caractéristique du Cu métallique (111), ce qui peut être lié au fait que le Zn a un potentiel d'oxydation plus élevé et est donc plus facilement oxydé que le Cu. À mesure que la teneur en Zn dans l'alliage de base augmente, il s'oxyde rapidement, dominant la surface et laissant le métal Cu en dessous. La taille de grain estimée à partir de l'élargissement du pic du ZnO (tableau S1) indique qu'il n'y a pas de différence prononcée entre les échantillons. De plus, la microdéformation du réseau, estimée à partir de l'élargissement du pic, est très faible, suggérant la faible formation de défauts dans la structure cristalline51,52.

Les échantillons de laiton de ferraille recuits ont été mis en œuvre directement dans le système électrochimique pour étudier leur efficacité en tant que catalyseurs du CO2RR. Les performances des déchets de laiton ont d'abord été étudiées à l'aide de la voltamétrie à balayage linéaire (LSV), comme illustré à la Fig. 2. Les expériences ont été menées dans du KHCO3 0,5 M saturé en CO2 et dans des électrolytes Na2SO4 0,5 M saturés en Ar sous barbotage continu de l'électrolyte respectif. gaz. Les échantillons ont été pré-scannés à 10 mV/s pendant 5 cycles pour s'assurer qu'ils ont atteint l'équilibre et se sont stabilisés avant d'enregistrer leur réponse réelle. La figure S1 révèle un large pic pour les quatre échantillons sous Ar bouillonnant dans la plage de potentiel de -0,6 à -0,4 V par rapport à RHE, qui peut être attribué à la réduction de Cu2O53. La courbe de l'échantillon 4-CuZn, cependant, montre un pic différent entre - 1 et - 0,8 V par rapport à RHE, qui est probablement attribué à la réduction de ZnO53. Le tableau S2 montre les données extraites des courbes LSV pour chaque échantillon. Il convient également de noter qu'à 0 V par rapport à RHE, les électrocatalyseurs ont montré un courant non nul, probablement en raison de la charge à double couche et des réactions parasites à la surface de l'électrode. Il est difficile d'éliminer ces effets car le LSV ne peut pas faire la distinction entre les événements d'électrocatalyseur, d'électrolyte et de transfert de charge54.

Voltampérométrie à balayage linéaire sous CO2 continu et purge Ar dans 0,5 M KHCO3 et 0,5 M Na2SO4, respectivement pour les échantillons (a) 1-CuZn, (b) 2-CuZn, (c) 3-CuZn et (d) 4-CuZn.

Le potentiel d'apparition des échantillons testés sous CO2 se déplace vers des potentiels plus négatifs lorsque la teneur en Zn augmente (de − 0,17 à − 0,851 V vs RHE). Cela est probablement dû à la capacité de Zn à supprimer la réaction de dégagement d'hydrogène (HER), qui est également observée sur la figure 3a, où le FE de H2 est bien inférieur pour les échantillons à haute teneur en Zn par rapport aux échantillons avec teneur en Zn inférieure55,56. Sans compter que la différence de densité de courant générée entre les courbes sous barbotage CO2 et barbotage Ar s'accentue progressivement au fur et à mesure que la teneur en Zn augmente. Ceci est une indication forte que la majeure partie de la densité de courant générée par l'échantillon 1-CuZn dans le LSV est due à HER où la différence entre la condition CO2 et Ar est la plus faible. Néanmoins, le potentiel d'apparition n'est qu'un paramètre guide qu'il ne faut pas surinterpréter car il peut être influencé par les réactions parasitaires et la sensibilité du système57. Dans l'ensemble, l'ajout de Zn à Cu, malgré l'augmentation du potentiel d'apparition, minimise la production de HER.

Les performances électrocatalytiques des échantillons à un potentiel de - 0,91 V vs RHE. (a) Les efficacités faradiques mesurées et (b) les profils de chronoampérométrie avec un encart d'une photographie des 4 échantillons de laiton poli.

La rugosité de surface (tableau S3) coïncide assez bien avec la densité de courant obtenue pour chaque échantillon. L'échantillon 1-CuZn a la rugosité la plus élevée de 134,5 et, par conséquent, présente l'une des densités de courant totales les plus élevées de 30 mA/cm2 à - 0,91 V par rapport à RHE. Cependant, la majeure partie de ce courant est consommée par le HER, qui est un concurrent important du CO2RR (Information complémentaire Fig. S3). Il convient de mentionner que la rugosité de surface influence souvent les performances du catalyseur au-delà de la seule valeur de la densité de courant, à savoir la sélectivité du produit. Par conséquent, le développement précoce du courant observé dans le VBV est très probablement attribué à HER submergeant la surface plutôt qu'au CO2RR15,58,59. Dans notre cas, la modification de la teneur en Zn n'influence pas seulement la nature chimique du catalyseur mais aussi la nature physique, c'est-à-dire la surface active électrochimique (EASA)60,61. Le CO2RR repose sur des équilibres de transport de masse compliqués dans l'électrolyte tampon et, en tant que tel, fait face à de nombreuses barrières cinétiques62,63.

La figure S3 montre le FE calculé de chacun des échantillons sur la plage de potentiel mesurée, ce qui révèle une faible dépendance entre le FE et le potentiel appliqué. La figure 3a montre les FE à - 0,91 V par rapport à RHE. Les échantillons 3-CuZn et 4-CuZn présentent le CO FE le plus élevé, atteignant 30,8 % et 30,6 %, respectivement, ce qui signifie que les deux échantillons partagent une sélectivité de produit similaire. La différence de sélectivité du produit entre les échantillons 3-CuZn et 4-CuZn est insignifiante et la progression de la teneur en Zn par rapport au produit FE conduit à un plateau plutôt qu'à une forme de volcan. Ceci suggère une saturation d'activité avec l'ajout de Zn au-delà de 30 %. En ce qui concerne la vitesse de réaction, l'échantillon 3-CuZn a la densité de courant totale la plus élevée, ce qui donne une moyenne de 10,16 mA/cm2 à - 0,91 V par rapport à RHE tout au long des 3600 s par rapport à 3,66 mA/cm2 pour l'échantillon 4-CuZn comme indiqué dans Figure 3b. La diminution de l'activité de vitesse du 4-CuZn par rapport au 3-CuZn a été étudiée plus en détail à l'aide de simulations de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), comme indiqué dans une section ultérieure.

Il est bien établi dans la littérature que les électrocatalyseurs à base de Zn ont tendance à produire du HCOO- sous forme de produit liquide, ce qui est également observé avec nos électrocatalyseurs en laiton lors de l'analyse HPLC de l'électrolyte26,64,65. Les résultats de la Fig. 3a montrent que l'échantillon avec la plus faible teneur en Zn (1-CuZn) a produit le moins de FE pour HCOO− à 9,68 %, tandis que l'échantillon avec la teneur en Zn la plus élevée (4-CuZn) a produit la plus haute FE à 22,6 %. %. Notez que la production de CO a probablement lieu sur les sites de ZnO, tandis que la production de HCOO− a lieu sur les sites de ZnO réduit66,67. Comme un potentiel de − 1,10 V par rapport à RHE (c'est-à-dire le potentiel de réduction de Zn(II) à ce pH particulier) est appliqué, ZnO serait toujours réduit pendant l'expérience CO2RR. Dans notre cas, CO2RR commence à − 1,16 V par rapport à RHE, ce qui rend la production de HCOO− presque inévitable. Ceci est en outre révélé par les diagrammes XRD de la figure 4c des échantillons après électrolyse, révélant la disparition presque complète des pics de ZnO, en particulier pour les échantillons 3-CuZn et 4-CuZn. Cela rend le contrôle de la sélectivité par rapport au Zn très difficile et demande plus de conceptions pour surmonter un tel défi. Le Cu2O et le CuO ont également disparu en raison du biais de réduction appliqué. L'état du Cu est cependant probablement une phase partiellement réduite entre Cu2O et Cu métal comme précédemment rapporté dans la littérature54.

( a ) Les densités de courant partielles de CO à travers différents temps de dépôt d'Ag à - 0,91 V par rapport à RHE pour l'échantillon 3-CuZn ( b ) Efficacité faradique et rapport des gaz produits de 3-CuZn avec différents temps de dépôt d'Ag à - 0,91 V vs. RHE (c) Modèles XRD d'angle rasant pour tous les échantillons après CO2RR électrochimique à - 0,91 V vs. RHE (d) stabilité montrant la densité de courant et la densité de courant partielle pour 3-CuZn avec 20 s de dépôt d'Ag à - 0,91 V vs. RHE.

Pour améliorer la sélectivité, Ag a été déposé sur la surface des échantillons de laiton avec l'hypothèse que Ag stabiliserait l'espèce d'oxyde là où sa réduction serait minimisée et introduirait plus de sites actifs pour la production de CO. Lors du dépôt d'Ag, l'échantillon 3-CuZn a montré le meilleur FE pour la production de CO. Le dépôt réussi d'Ag a été confirmé par les nouveaux pics de diffraction d'Ag qui sont apparus à 39, 56 ° (111), 45, 74 ° (200) et 66, 11 ° (220), comme illustré sur la figure 5c. Un nouveau pic de diffraction est apparu à 44,34°, caractéristique de l'AgZn, révélant la forte affinité de l'Ag envers le Zn qui devrait impacter la nature chimique de l'électrocatalyseur global lors du CO2RR68. En effet, les résultats représentés sur la figure 4b, montrent la diminution de la formation de HCOO− de 21,6 à 7,53 % après 5 s, et à 4,68 % après 20 s jusqu'à ce qu'elle devienne indétectable par HPLC après 60 s. Le diagramme XRD (10) de la Fig. 2c montre également la préservation des pics de ZnO après CO2RR. De plus, les figures S4a, b montrent les images SEM de l'échantillon 3-CuZn après dépôt d'Ag, comme indiqué par les caractéristiques rhombiques émergées. Notez que ces caractéristiques sont conservées après le CO2RR, révélant le rôle joué par Ag dans la stabilisation du ZnO, par lequel il est capable de résister aux potentiels de réduction du CO2RR. Ag peut également favoriser la production de CO en introduisant des sites plus actifs, comme le révèle la figure 4a. À mesure que le temps de dépôt d'Ag augmente, la densité de courant partielle, qui peut être rapprochée du taux de production de CO, augmente également jusqu'à atteindre un maximum de 3,44 mA/cm2 dans l'intervalle de temps de 20 à 30 s. Ainsi, l'ajout d'Ag a amélioré la sélectivité du 3-CuZn vis-à-vis de la production de CO. Pour compléter le tableau de l'Ag déposé sur du laiton, une mesure de stabilité a été effectuée comme indiqué sur la figure 4d. La mesure a été effectuée pendant 6 h, où l'électrocatalyseur a maintenu une bonne stabilité tout au long du test.

( a ) Profil d'énergie potentielle du mécanisme pour les trois voies proposées pour la formation de CO sur l'échantillon 3-CuZn: dissociation directe, assistée par H via COOH * et via HCOO *. (b) La densité d'états projetée (PDOS) de l'atome de Cu dans les quatre échantillons sur le plan (111) et le centre de la bande d représenté par la flèche noire tandis que le niveau de Fermi est la ligne pointillée, et (c) le l'énergie de liaison des différents adsorbats lors du CO2RR sur la surface Ag–CuZn (111), le point rouge est l'énergie de liaison du CO.

Comme discuté précédemment, le recuit des échantillons de laiton de rebut dans l'air tend à former des électrocatalyseurs qui favorisent la formation de CO et de CHOO-. À cet égard, des calculs DFT ont été effectués pour mieux comprendre le mécanisme de la réaction ainsi que pour expliquer la différence d'activités entre les échantillons69. La surface de CuZn (111) a été étudiée en particulier car elle présentait systématiquement les pics les plus forts dans les spectres XRD des échantillons recuits (Fig. 1c). La séquence de CO2RR sur la surface en laiton se déroule comme illustré à la Fig. 5a. Lors de l'adsorption du CO2, l'analyse de charge de Mulliken révèle le transfert de charge de la surface du 3-CuZn (111) à la molécule de CO2. En conséquence, la molécule de CO2 acquiert une charge négative de 0,52 e et forme un anion CO2 chargé négativement. Cela conduit à une forte adsorption sur la surface du catalyseur. Au fur et à mesure que la réaction se poursuit, les deux longueurs de liaison C–O sont allongées et l'angle (O–C–O) est diminué de 180° à 135,9°, révélant l'activation du CO2. Pour dévoiler le mécanisme de la dissociation du CO2 sur la surface du 3-CuZn (111), les trois voies possibles de dissociation suivantes ont été élucidées : la dissociation directe et la dissociation assistée par H (la source d'hydrogène est l'électrolyte dans ce cas)70 ,71. La figure 5a montre la voie de dissociation directe, où l'interaction entre la surface de 3-CuZn (111) et le CO2 forme spontanément CuZn-CO2* qui est ensuite dissocié en CuZn-CO* + O* via l'état de transition (TS1). Ce processus est exothermique de - 0,04 eV et possède une barrière d'activation de 1,48 eV. Après cela, l'absorption de 0,8 eV de la chaleur ambiante entraîne la désorption du CO* de la surface pour former du gaz CO. La deuxième voie de dissociation possible est la liaison H. En présence d'hydrogène, le CO2 peut être activé vers la formation de COOH* ou HCOO*. Dans le cas de la formation de carboxyle, l'atome d'hydrogène attaque l'un des atomes d'oxygène du CO2 et forme une liaison O – H, comme illustré à la figure 5a. Cette étape passe par un état de transition (TS2) de 1,49 eV. Cette étape est endothermique de 0,32 eV suivie de la rupture de la liaison C–O et de la formation de CO* et OH* adsorbés via (TS3) de 0,55 eV. Ce processus est exothermique de 0,47 eV. Concernant la formation de la voie formiate, l'atome d'hydrogène se lie à l'atome de carbone du CO2 via un état de transition (TS4) de 1,03 eV, qui est un processus exothermique de 0,64 eV. Ensuite, il se divise en HCO* et O* suivi d'un transfert d'hydrogène vers O* pour former CO* et OH* à travers une barrière de 0,55 eV. Le CO* adsorbé se désorbe sous forme gazeuse de 0,93 eV. Bien que les deux voies soient viables, nos résultats révèlent que la dissociation directe est plus favorable sur le plan thermodynamique. Il est également important de noter que cette surface de catalyseur particulière ne favorise pas le couplage C-C, ce qui expliquerait également le manque de produits C2+ dans les tests expérimentaux. Les trois mécanismes sont illustrés plus en détail dans les informations supplémentaires des Fig. S10–S14.

Afin de mieux comprendre la sélectivité et l'activité des électrocatalyseurs, des calculs des états électroniques pour les quatre échantillons différents (1-CuZn, 2-CuZn, 3-CuZn, 4-CuZn) et 3-CuZn revêtus d'Ag ont été effectués. dehors. La figure 5b montre la densité d'états projetée (PDOS) pour l'atome de Cu dans chaque système et son centre de bande d (εd). La position du centre de la bande d par rapport au niveau de Fermi est importante car elle indique la disponibilité des électrons dans l'atome72. Ainsi, εd est fortement corrélé à l'énergie de liaison, et il est souvent utilisé comme métrique pour l'activité catalytique73. Un εd plus proche du niveau de Fermi pousse les états antiliants au-dessus du niveau de Fermi où ils seront moins remplis et donc une liaison plus forte entre le catalyseur et les intermédiaires absorbés74,75. Les quatre échantillons ainsi que l'échantillon déposé en Ag montrent des valeurs εd relativement proches, comme le montre la figure 5b. La plus grande différence dans la bande d des échantillons est de 0,69 eV entre 3-AgCuZn et 1-CuZn, ce qui suggère que l'effet électronique sur les performances des électrocatalyseurs pourrait ne pas avoir d'impact global profond42,76. Le paramètre le plus dominant est peut-être les différences géométriques entre chacune des nanostructures des catalyseurs, comme indiqué dans l'analyse de caractérisation. Cela coïncide avec les résultats expérimentaux d'une manière très spécifique; l'ajout d'Ag à l'échantillon le plus performant, 3-CuZn, n'a pas eu d'impact significatif sur le FE vers le CO, mais a plutôt eu un impact sur la densité de courant partielle pour le CO. Cette activité accrue pour le CO en particulier est probablement due aux changements structurels induits par l'Ag plutôt que le chimique.

En ce qui concerne la sélectivité (c'est-à-dire la nature chimique) vis-à-vis de la production de CO en particulier, la figure 5c représente la force de liaison des différents adsorbats susceptibles de se former au cours du processus CO2RR sur le site le plus énergétiquement favorable sur la surface 3-AgCuZn. La molécule de CO, qui est représentée par le point rouge, a la plus faible énergie de liaison parmi tous les autres produits possibles, en particulier les produits qui ont un rang plus élevé dans les transferts d'électrons. Cela suggère que sa désorption de CO après sa formation est l'événement le plus probable plutôt que sa réaction ultérieure. C'est en effet ce qui est observé expérimentalement puisque la formation de formiate est fortement diminuée tandis que la formation de CO est augmentée.

Une méthode simple, peu coûteuse et évolutive pour réutiliser les alliages métalliques de laiton pour le CO2RR afin de produire du gaz de synthèse à un rythme raisonnable a été démontrée. Des échantillons de laiton grattés avec différentes teneurs en Zn ont été activés par recuit dans une atmosphère d'air, où diverses nanostructures ont émergé. L'augmentation de la teneur en Zn a conduit à la formation de nanoaiguilles plus denses. Comme révélé par l'analyse XRD, la formation de ZnO s'est avérée inhiber le HER et favoriser la formation de CO et de CHOO. L'efficacité faradique (FE) des échantillons a montré une faible dépendance à la tension. Cela devrait être avantageux d'un point de vue industriel car il est difficile de contrôler le potentiel de l'électrode de travail dans les électrolyseurs réels, où aucune électrode de référence n'est utilisée. L'électrocatalyseur 3-CuZn avec 30% de Zn s'est avéré le plus performant parmi tous les échantillons testés avec des FE de 30,7% et 21,6% pour CO et CHOO-, respectivement. L'ajout d'Ag a amélioré les performances de l'électrocatalyseur en augmentant la densité de courant partielle vers la formation de CO. Les calculs DFT ont confirmé les résultats expérimentaux obtenus en termes d'intermédiaires formés possibles et de centre de bande d calculé (εd). L'alliage de laiton modifié par Ag a montré l'énergie de liaison la plus faible pour le CO indiquant sa libération facile et sa production préférée par rapport à tout autre produit.

Wei, T. et al. Responsabilités des pays développés et en développement pour le changement climatique historique et l'atténuation du CO2. Proc. Natl. Acad. Sci. États-Unis 109, 12911–12915 (2012).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Davis, SJ, Caldeira, K. & Matthews, HD Futures émissions de CO2 et changement climatique des infrastructures énergétiques existantes. Sciences 329, 1330-1333 (2010).

Article ADS CAS PubMed Google Scholar

Matinde, E., Simate, GS & Ndlovu, S. Déchets miniers et métallurgiques : examen des pratiques de recyclage et de réutilisation. J. Sud Afr. Inst. Min. Métall. 118, 825–844 (2018).

Article CAS Google Scholar

Zhang, L. & Xu, Z. Un examen critique des flux de matériaux, des technologies de recyclage, des défis et de la stratégie future pour les métaux dispersés des minéraux aux déchets. J. Propre. Prod. 202, 1001-1025 (2018).

Article Google Scholar

Hasan, MM et al. Transfert d'électrons intermoléculaire dans des électrocatalyseurs à nanofeuilles de BCN-Cu exfoliés électrochimiquement pour une évolution efficace de l'hydrogène. ACS Appl. Matière énergétique. https://doi.org/10.1021/acsaem.2c01349 (2022).

Article Google Scholar

Gomaa, AK et al. Traitement de surface facile des treillis de déchets industriels en acier inoxydable dans des conditions douces pour produire des catalyseurs efficaces de dégagement d'oxygène. Énergie et carburants 36, 7025–7034 (2022).

Article CAS Google Scholar

Hertwich, E., Lifset, R., Pauliuk, S. & Heeren, N. Efficacité des ressources et changement climatique : stratégies d'efficacité des matériaux pour un avenir à faibles émissions de carbone (Programme des Nations Unies pour l'environnement, 2020).

Google Scholar

Salem, KE et al. Dévoilement de la synergie interfaciale optimale des phosphures trimétalliques Mn-Ni-Co modulés par plasma : adaptation du taux de dépôt pour la séparation complémentaire de l'eau. Énergie Environ. Mater. https://doi.org/10.1002/eem2.12324 (2022).

Article Google Scholar

Sassenburg, M. Réduction du CO2 dans un assemblage d'électrodes à membrane bipolaire (2018).

Ma, Z. et al. Réduction électrochimique améliorée du CO2 des nanoparticules Cu@CuxO décorées sur du graphène vertical 3D avec un défaut intrinsèque de type sp3. Adv. Fonct. Mater. 30, 1–12 (2020).

Article Google Scholar

Zhang, RZ et al. Stratégies de conception et études de mécanismes de catalyseurs d'électroréduction du CO2 basés sur la chimie de coordination. Coord. Chim. Rév.422, 1–28 (2020).

Article CAS Google Scholar

Stolar, T. et al. Amorphisation mécanochimique évolutive d'un catalyseur bimétallique Cu – Zn MOF-74 pour une réaction de réduction sélective du CO2 en méthanol. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 3070–3077 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, X. et al. Électroréduction sélective du CO2 et du CO en C2H4 en ajustant de manière synergique les nanocavités et la charge de surface de l'oxyde de cuivre. Maintien ACS. Chim. Ing. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c01600 (2022).

Article Google Scholar

Hao, L. & Sun, Z. Matériaux à base d'oxydes métalliques pour la réduction électrochimique du CO2. Wuli Huaxue Xuebao Acta Phys. Chim. Sin. 37, 1–19 (2021).

MathSciNetGoogle Scholar

Kuhl, KP, Cave, ER, Abram, DN & Jaramillo, TF Nouvelles perspectives sur la réduction électrochimique du dioxyde de carbone sur les surfaces métalliques en cuivre. Énergie Environ. Sci. 5, 7050–7059 (2012).

Article CAS Google Scholar

Tomboc, GM, Choi, S., Kwon, T., Hwang, YJ & Lee, K. Lien potentiel entre la surface de Cu et l'électroréduction sélective du CO2 : perspective sur les futures conceptions d'électrocatalyseurs. Adv. Mater. 32, 1908398 (2020).

Article CAS Google Scholar

Ghosh, S., Garapati, MS, Ghosh, A. & Sundara, R. Catalyseur non précieux pour le contact triphasé dans une cellule complète de conversion de CO2 à membrane échangeuse de protons pour une réduction électrochimique efficace du dioxyde de carbone. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, 40432–40442 (2019).

Article CAS PubMed Google Scholar

Li, X., Hong, S., Hao, L. & Sun, Z. Cadres métallo-organiques à base de cadmium pour la réduction électrochimique haute performance du CO2 en CO sur une large plage de potentiel. Menton. J. Chem. Ing. 43, 143-151 (2022).

Article Google Scholar

Fan, Q. et al. Activation des particules de Ni en atomes Ni–N uniques pour une réduction électrochimique efficace du CO2. Adv. Matière énergétique. 10, 1–8 (2020).

Article Google Scholar

Bondue, CJ, Graf, M., Goyal, A. & Koper, MTM Suppression de l'évolution de l'hydrogène dans les électrolytes acides par réduction électrochimique du CO2. Confiture. Chim. Soc. 143, 279–285 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ismail, AM, Samu, GF, Balog, Á., Csapó, E. & Janáky, C. Comportement électrocatalytique dépendant de la composition des nanoparticules bimétalliques Au-Sn dans la réduction du dioxyde de carbone. ACS Energy Lett. 4, 48–53 (2019).

Article CAS Google Scholar

Mahyoub, SA et al. Conception rationnelle de nanocoraux d'Ag alliés au Pd à faible charge pour l'électroréduction CO2 à CO à haute densité de courant à pression élevée. Mater. Aujourd'hui Énergie 24, 100923 (2022).

Article CAS Google Scholar

Dongare, S., Singh, N. & Bhunia, H. Nanoparticules Cu-Zn dérivées d'oxyde supportées sur du graphène dopé N pour la réduction électrochimique du CO2 en éthanol. Appl. Le surf. Sci. 556, 149790 (2021).

Article CAS Google Scholar

Dongare, S., Singh, N., Bhunia, H. & Bajpai, PK Réduction électrochimique du CO2 à l'aide d'un catalyseur bimétallique Cu et Zn à base d'oxyde. Électrochim. Acta 392, 138988 (2021).

Article CAS Google Scholar

Keerthiga, G. & Chetty, R. Réduction électrochimique du dioxyde de carbone sur des électrodes de cuivre modifiées au zinc. J. Electrochem. Soc. 164, H164–H169 (2017).

Article CAS Google Scholar

Yin, G. et al. Électro- ou photo-réduction sélective du dioxyde de carbone en acide formique à l'aide d'un catalyseur en alliage Cu – Zn. J. Mater. Chim. A 5, 12113–12119 (2017).

Article CAS Google Scholar

Feaster, JT et al. Comprendre la sélectivité pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone en acide formique et en monoxyde de carbone sur des électrodes métalliques. ACS Catal. 7, 4822–4827 (2017).

Article CAS Google Scholar

He, J., Dettelbach, KE, Huang, A. & Berlinguette, CP Le laiton et le bronze comme électrocatalyseurs efficaces de réduction de CO2. Angew. Chim. 129, 16806–16809 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Jeon, HS et al. Operando aperçu de la corrélation entre la structure et la composition des nanoparticules de CuZn et leur sélectivité pour la réduction électrochimique du CO2. Confiture. Chim. Soc. 141, 19879–19887 (2019).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Lv, JJ et al. Un électrocatalyseur en cuivre hautement poreux pour la réduction du dioxyde de carbone. Adv. Mater. 30, 1–8 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

Chang, YC, Lin, PS, Liu, FK, Guo, JY & Chen, CM Synthèse en une étape et à source unique de nanofils de ZnO dopés au Cu sur une feuille de laiton flexible pour des applications d'émission de champ et photocatalytiques très efficaces. J. Alliages Compd. 688, 242-251 (2016).

Article CAS Google Scholar

Zhong, H. et al. Électroréduction synergique du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone sur des charpentes métalliques-organiques conjuguées en couches bimétalliques. Nat. Commun. 11, 1–10 (2020).

Annonces CAS Google Scholar

Hjorth, I., Nord, M., Rønning, M., Yang, J. et Chen, D. Réduction électrochimique du CO2 en gaz de synthèse sur des catalyseurs CuxZn1−xO supportés par CNT. Catal. Aujourd'hui 357, 311-321 (2020).

Article CAS Google Scholar

Miftahurrahman, G., Setiarahayu, H. & Nandiyanto, ABD Une évaluation économique sur l'augmentation de la production de nano-or du laboratoire à l'échelle industrielle. Indonésiens. J. Comput. Ing. Dés. 1, 29 (2019).

Google Scholar

Tsuzuki, T. Production à l'échelle commerciale de nanoparticules inorganiques. Int. J. Nanotechnol. 6, 567-578 (2009).

Article ADS CAS Google Scholar

Stojkovikj, S. et al. Électrocatalyseur dérivé de déchets de bronze Cu–Sn pour la conversion du CO2 en CO. ACS Appl. Mater. Interfaces. https://doi.org/10.1021/acsami.1c05015 (2021).

Article PubMed Google Scholar

Dutta, A., Rahaman, M., Luedi, NC, Mohos, M. & Broekmann, P. Questions de morphologie : réglage de la distribution du produit de l'électroréduction du CO2 sur des catalyseurs en mousse de cuivre dérivés d'oxydes. ACS Catal. 6, 3804–3814 (2016).

Article CAS Google Scholar

Li, D. et al. Réglage de la structure des pores des électrodes en mousse d'étain poreuse pour une réduction électrochimique améliorée du dioxyde de carbone en formiate. Chim. Ing. J. 375, 122024 (2019).

Article CAS Google Scholar

Hu, H. et al. Catalyseurs Zn–Cu nanoporeux cultivés in situ sur des feuilles de laiton pour une meilleure réduction électrochimique du dioxyde de carbone. Appl. Le surf. Sci. 445, 281-286 (2018).

Article ADS CAS Google Scholar

Segall, PJD et al. Simulation des premiers principes : Idées, illustrations et le code CASTEP. J.Phys. Condens. Matière 14, 2717–2744 (2002).

Article ADS CAS Google Scholar

Peterson, AA, Abild-Pedersen, F., Studt, F., Rossmeisl, J. & Nørskov, JK Comment le cuivre catalyse l'électroréduction du dioxyde de carbone en hydrocarbures. Énergie Environ. Sci. 3, 1311-1315 (2010).

Article CAS Google Scholar

Ma, M. et al. Réduction électrochimique du CO2 sur des couches minces bimétalliques Au–Pt à variation de composition. Nanoénergie 42, 51–57 (2017).

Article ADS CAS Google Scholar

Dattila, F., Garclá-Muelas, R. & López, N. Ensembles actifs et sélectifs dans des catalyseurs de cuivre dérivés d'oxydes pour la réduction du CO2. ACS Energy Lett. 5, 3176–3184 (2020).

Article CAS Google Scholar

Eissa, DS, El-Hagar, SS, Ashour, EA & Allam, NK Nano-structuration électrochimique du laiton pour une séparation photoélectrochimique de l'eau induite par la lumière stable et visible. Int. J. Hydrogen Energy 44, 14588–14595 (2019).

Article CAS Google Scholar

Pander, JE et al. Comprendre la réduction électrocatalytique hétérogène du dioxyde de carbone sur des catalyseurs dérivés d'oxydes. ChemElectroChem 5, 219–237 (2018).

Article CAS Google Scholar

Varandili, SB et al. Élucider la sélectivité dépendante de la structure de CuZn vis-à-vis du méthane et de l'éthanol dans l'électroréduction du CO2 à l'aide de précatalyseurs Cu/ZnO adaptés. Chim. Sci. 12, 14484–14493 (2021).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zooolfakar, AS, Rani, RA, Morfa, AJ, O'Mullane, AP & Kalantar-Zadeh, K. Semi-conducteurs d'oxyde de cuivre nanostructurés : une perspective sur les matériaux, les méthodes de synthèse et les applications. J. Mater. Chim. C 2, 5247-5270 (2014).

Article CAS Google Scholar

Li, YB, Bando, Y. & Golberg, D. Nanoaiguilles ZnO avec perturbations de la surface de la pointe : excellents émetteurs de champ. Appl. Phys. Lett. 84, 3603–3605 (2004).

Article ADS CAS Google Scholar

Li, X. & Wang, Y. Structure et propriétés de photoluminescence des nano-aiguilles ZnO revêtues d'Ag. J. Alliages Compd. 509, 5765–5768 (2011).

Article CAS Google Scholar

Allam, NK, Nazeer, AA, Youssef, GI & Ashour, EA Comportement électrochimique et de fissuration par corrosion sous contrainte du bronze d'aluminium α et du laiton α dans des solutions de nitrite : une étude comparative. Corrosion 69, 77–84 (2013).

Article CAS Google Scholar

Ungár, T. Paramètres microstructuraux de l'élargissement du pic de diffraction des rayons X. Scr. Mater. 51, 777–781 (2004).

Article CAS Google Scholar

Bindu, P. & Thomas, S. Estimation de la déformation du réseau dans les nanoparticules de ZnO : analyse du profil des pics aux rayons X. J. Théor. Appl. Phys. 8, 123-134 (2014).

Annonces d'article Google Scholar

Kabasakaloǧlu, M., Kiyak, T., Şendil, O. & Asan, A. Comportement électrochimique du laiton dans du NaCl 0,1 M. Appl. Le surf. Sci. 193, 167-174 (2002).

Annonces d'article Google Scholar

Anantharaj, S., Noda, S., Driess, M. & Menezes, PW Les pièges de l'utilisation de courbes de polarisation potentiodynamiques pour l'analyse de Tafel dans la séparation électrocatalytique de l'eau. ACS Energy Lett. 6, 1607-1611 (2021).

Article CAS Google Scholar

Bayaguud, A., Fu, Y. & Zhu, C. Réactions parasites interfaciales des anodes de zinc dans les batteries zinc-ion : réactions sous-estimées de corrosion et d'évolution de l'hydrogène et leurs stratégies de suppression. J. Energy Chem. 64, 246-262 (2022).

Article Google Scholar

Nguyen, DLT et al. Effet des halogénures sur les catalyseurs nanoporeux à base de Zn pour une électroréduction hautement efficace du CO2 en CO. Catal. Commun. 114, 109–113 (2018).

Article CAS Google Scholar

Botz, AJR, Nebel, M., Rincón, RA, Ventosa, E. & Schuhmann, W. Détermination du potentiel d'apparition sur des catalyseurs à dégagement de gaz au moyen du positionnement en mode à distance constante de nanoélectrodes. Électrochim. Acta 179, 38–44 (2015).

Article CAS Google Scholar

Jiang, K. et al. Effets de la rugosité de surface sur la réduction électrochimique du CO2 sur Cu. ACS Energy Lett. 5, 1206-1214 (2020).

Article CAS Google Scholar

Tang, W. et al. L'importance de la morphologie de surface dans le contrôle de la sélectivité du cuivre polycristallin pour l'électroréduction du CO2. Phys. Chim. Chim. Phys. 14, 76–81 (2012).

Article CAS PubMed Google Scholar

Ajmal, S. et al. Catalyseur au cuivre modifié au zinc pour une réduction (photo-)électrochimique efficace du CO2 avec une sélectivité élevée de la production de HCOOH. J.Phys. Chim. C 123, 11555–11563 (2019).

Article CAS Google Scholar

Feng, Y. et al. Catalyseur en alliage CuZn préparé au laser pour la réduction électrochimique sélective du CO2 en éthylène. Langmuir 34, 13544–13549 (2018).

Article CAS PubMed Google Scholar

Goyal, A., Marcandalli, G., Mints, VA & Koper, MTM Compétition entre la réduction du CO2 et le dégagement d'hydrogène sur une électrode en or dans des conditions de transport de masse bien définies. Confiture. Chim. Soc. 142, 4154–4161 (2020).

Article CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dunwell, M. et al. Examen des gradients de concentration près des électrodes et des impacts cinétiques sur la réduction électrochimique du CO2 à l'aide de la spectroscopie infrarouge de surface. ACS Catal. 8, 3999–4008 (2018).

Article CAS Google Scholar

Zeng, J. et al. Catalyseurs couplés cuivre-zinc pour la réduction électrochimique du dioxyde de carbone. Chemsuschem 13, 4128–4139 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Mohamed, AGA et al. Électrocatalyse bimétallique ZnPb à pont oxo asymétrique stimulant la réduction du CO2 en HCOOH. Adv. Sci. 2104138, 1–10 (2021).

Google Scholar

Chen, TL et al. Décryptage in situ de l'effet de l'état chimique dynamique sur la réduction sélective du CO2 sur les électrocatalyseurs au zinc. Nanoscale 12, 18013–18021 (2020).

Article CAS PubMed Google Scholar

Daiyan, R. et al. Découverte de la stabilité et de la réactivité à l'échelle atomique dans les électrocatalyseurs d'oxyde de zinc pour la production contrôlable de gaz de synthèse. Adv. Matière énergétique. 10, 1–9 (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Lu, Q. et al. Dépôt uniforme de Zn obtenu par revêtement Ag pour des batteries zinc-ion aqueuses améliorées. ACS Appl. Mater. Interfaces 13, 16869–16875 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Nunomura, N. Étude de la théorie fonctionnelle de la densité des alliages Cu – Zn. 902012035, 7–10 (2012).

Nitopi, S. et al. Progrès et perspectives de la réduction électrochimique du CO2 sur le cuivre en électrolyte aqueux. Chim. Rév. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.8b00705 (2019).

Article PubMed Google Scholar

Liu, L. & Lv, P. DFT aperçu de l'effet des atomes de Cu sur l'adsorption et la dissociation du CO2 sur une surface Pd8/TiO2(101). RSC Adv. 11, 17391–17398 (2021).

Article ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Jiao, S., Fu, X. & Huang, H. Descripteurs pour l'évaluation des réactions électrocatalytiques : théorie de la bande d et au-delà. Adv. Fonct. Mater. 32, 1–43 (2022).

Article CAS Google Scholar

Zhang, Z. et al. Conception «deux navires dans une bouteille» pour catalyseur Zn – Ag – O permettant une électroréduction sélective et durable du CO2. Confiture. Chim. Soc. 143, 6855–6864 (2021).

Article CAS PubMed Google Scholar

Xiao, J. & Frauenheim, T. Aperçus théoriques sur l'activation et la réduction du CO2 sur la monocouche Ag(111) supportée sur un substrat ZnO(0001). J.Phys. Chim. C 117, 1804–1808 (2013).

Article CAS Google Scholar

Nørskov, JK, Bligaard, T., Rossmeisl, J. & Christensen, CH Vers la conception informatique de catalyseurs solides. Nat. Chim. 1, 37–46 (2009).

Article PubMed CAS Google Scholar

Xiao, J. & Frauenheim, T. Aperçus théoriques sur l'activation et la réduction du CO2 sur la monocouche Ag(111) supportée sur un substrat ZnO(000 1). J.Phys. Chim. C 117, 1804–1808 (2013).

Article CAS Google Scholar

Télécharger les références

Financement en libre accès fourni par The Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) en coopération avec The Egyptian Knowledge Bank (EKB). Cette étude a été financée par le Climate Change Funding de l'AUC (No. CCI-SSE-PHYS-08).

Laboratoire des matériaux énergétiques (EML), École des sciences et de l'ingénierie, Université américaine du Caire, Nouveau Caire, 11835, Égypte

Ibrahim M. Badawy, Ahmed Mohsen Ismail, Ghada E. Khedr, Manar M. Taha & Nageh K. Allam

Département d'analyse et d'évaluation, Institut égyptien de recherche sur le pétrole, Le Caire, 11727, Égypte

Ghada E. Khedr

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

Vous pouvez également rechercher cet auteur dans PubMed Google Scholar

IMB a réalisé le travail expérimental et a écrit le manuscrit avec le soutien d'AMIGEK a effectué les calculs DFT et a écrit la section correspondante, tandis que MMT était responsable des mesures HPLC. La NKA a analysé les résultats, rédigé le manuscrit, obtenu le financement et supervisé le travail. Tous les auteurs ont donné leur approbation à la version finale du manuscrit.

Correspondance avec Nageh K. Allam.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

Libre accès Cet article est sous licence Creative Commons Attribution 4.0 International, qui permet l'utilisation, le partage, l'adaptation, la distribution et la reproduction sur n'importe quel support ou format, à condition que vous accordiez le crédit approprié à l'auteur ou aux auteurs originaux et à la source, fournir un lien vers la licence Creative Commons et indiquer si des modifications ont été apportées. Les images ou tout autre matériel de tiers dans cet article sont inclus dans la licence Creative Commons de l'article, sauf indication contraire dans une ligne de crédit au matériel. Si le matériel n'est pas inclus dans la licence Creative Commons de l'article et que votre utilisation prévue n'est pas autorisée par la réglementation légale ou dépasse l'utilisation autorisée, vous devrez obtenir l'autorisation directement du détenteur des droits d'auteur. Pour voir une copie de cette licence, visitez http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Réimpressions et autorisations

Badawy, IM, Ismail, AM, Khedr, GE et al. Réduction électrochimique sélective du CO2 sur des électrocatalyseurs bimétalliques Cu-Zn à variation de composition dérivés d'alliages de laiton de rebut. Sci Rep 12, 13456 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17317-6

Télécharger la citation

Reçu : 10 juin 2022

Accepté : 25 juillet 2022

Publié: 05 août 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-17317-6

Toute personne avec qui vous partagez le lien suivant pourra lire ce contenu :

Désolé, aucun lien partageable n'est actuellement disponible pour cet article.

Fourni par l'initiative de partage de contenu Springer Nature SharedIt

Rapports scientifiques (2022)

En soumettant un commentaire, vous acceptez de respecter nos conditions d'utilisation et nos directives communautaires. Si vous trouvez quelque chose d'abusif ou qui ne respecte pas nos conditions ou directives, veuillez le signaler comme inapproprié.