Điều chỉnh đồng thời cấu trúc bề mặt và trạng thái oxy hóa của chất xúc tác đồng

Năng lượng điện có nguồn gốc từ các nguồn năng lượng tái tạo có thể sử dụng để sắp xếp lại các liên kết trong carbon dioxide (CO2) và các phân tử nước thành các hydrocarbon có cấu trúc phức tạp, hợp chất này sau đó có thể đốt cháy để tạo ra năng lượng mới và (CO2), cuối cùng cho phép bắt đầu một chu trình carbon. Đồng là một vật liệu xúc tác đã được phát hiện thấy có triển vọng kích hoạt quá trình này và tạo điều kiện cho phản ứng điện khí hóa CO2 (CO2RR).

Nguồn ảnh: Arán-Ais et al.

Hai yếu tố chính cần thiết khi cố gắng hiểu rõ các thông số kiểm soát phản ứng (CO2RR) là cấu trúc bề mặt được xác định rõ và thành phần vật liệu đã biết. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong quá khứ đã chỉ ra rằng đường ghép nối C-C để tạo ra ethylene được ưa thích trên bề mặt Cu (100).

Gần đây, các nhà nghiên cứu nhận thấy vai trò xúc tác chính của Cuδ+ và oxy lớp dưới bề mặt cho sản xuất hydrocacbon C2-C3 và rượu. Tuy nhiên, việc ổn định đồng dưới các điều kiện cần thiết cho phản ứng CO2 electroreduction (giảm điện hóa của carbon dioxide) xảy ra cho đến nay vẫn là một thách thức lớn.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Fritz-Haber, thuộc Hiệp hội Max-Plank ở Berlin, đã thực hiện một nghiên cứu nhằm ổn định Cu (I), đồng ở trạng thái oxy hóa 1+, để hiểu rõ hơn về vai trò của nó trong phản ứng CO2RR . Trong một bài báo được công bố trên tạp chí Nature Energy gần đây, nhóm nghiên cứu cho biết, hiệu quả sản xuất ethanol bằng đồng đã được nâng cao hơn nhiều khi tiến hành điều chỉnh cấu trúc và trạng thái oxy hóa của các chất xúc tác Cu (I).

Cho đến nay, việc ổn định các loại Cu (I) trong điều kiện giảm CO2  vẫn tỏ ra rất khó. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là có thể tạo ra các loại Cu (I) và ổn định chúng tạm thời trên một bề mặt đã xác định rõ, sau đó nghiên cứu tác động của chúng lên hợp chất CO2RR một cách chọn lọc”. Beatriz Roldan Cuenya, một trong những tác giả của nghiên cứu cho biết.

Trong nghiên cứu này, Roldan Cuenya và các đồng nghiệp đã điều chỉnh cấu trúc và trạng thái oxy hóa của các chất xúc tác đồng bằng kỹ thuật điện phân xung (pulsed electrolysis). Kỹ thuật này cho phép họ thiết kế được một chuỗi xung tiềm năng, cho phép điều chỉnh đồng thời cả cấu trúc bề mặt và thành phần của chất xúc tác Cu trong phản ứng CO2RR.

Nhóm nghiên cứu đã giám sát chặt chẽ những thay đổi trong cấu trúc của chất xúc tác cũng như trạng thái hóa học trên bề mặt của nó. Nhờ đó họ đã phát hiện ra các cơ chế mà qua đó các chất xúc tác đồng cho phép tạo ra hydrocarbon thông qua phản ứng CO2RR.

Nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu này đã thu thập được những phát hiện thú vị mới làm sáng tỏ vai trò của chất xúc tác đồng trong việc tạo điều kiện chuyển đổi điện hóa của CO2. Trong tương lai, kỹ thuật được Roldan Cuenya và các đồng nghiệp của cô sử dụng có thể được dùng để điều chỉnh các giao diện điện hóa với các cấu trúc và các cấu trúc bề mặt bị hạn chế, từ đó có thể sản xuất có chọn lọc các sản phẩm C2.

Roldan Cuenya cho biết,  trong các nghiên cứu tiếp theo, họ muốn khám phá tác động của quá trình tái tạo liên tục của các loại Cu (I) lên bề mặt định hướng khác và cuối cùng áp dụng giao thức xung này cho các hệ thống hạt nano khác nhắm đến các ứng dụng thực tế hơn trong bộ điện phân thực.

P.T.T (NASATI), theo https://techxplore.com/news/2020-04-simultaneously-tuning-surface-oxidation-state.html, 16/4/2020