Neuartiger Katalysator für die hochselektive Photoelektroreduktion von Kohlendioxid zu Ethanol

17. März 2023

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von Li Yuan, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Künstliche Photosynthese (AP), bei der Sonnenlicht zur Herstellung wertvoller Chemikalien und Kraftstoffe aus Kohlendioxid (CO2) genutzt wird, ist eine vielversprechende Strategie, um die Speicherung von Solarenergie sowie einen negativen Kohlenstoffkreislauf zu erreichen.

Allerdings ist die künstliche Photosynthese recht komplex und umfasst mehrere aufeinanderfolgende und parallele Schritte. Darüber hinaus können thermodynamisch günstige C1-Produkte aus mehreren AP-Zwischenprodukten hergestellt werden, was die selektive Herstellung von Zielchemikalien mit CC-Bindungen zu einer Herausforderung macht.

Kürzlich hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Profs. Chen Wei und Wei Wei vom Shanghai Advanced Research Institute (SARI) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben neuartige Graphen/Siliziumkarbid (SiC)-Katalysatoren für die effiziente Photoelektroreduktion von CO2 zu Ethanol (C2H5OH) entwickelt.

Die Ergebnisse wurden in der Angewandte Chemie International Edition veröffentlicht.

Der vorgeschlagene Verbundkatalysator, der aus einem SiC-Substrat, einer Grenzflächenschicht (IL) und einer mehrschichtigen Graphen-Überschicht besteht, kann dazu beitragen, die aktive Zwischenstufe für die CC-Kopplung präzise zu steuern.

Eine optimale IL-Struktur ermöglicht die einfache Übertragung fotogenerierter Elektronen vom SiC-Substrat auf die aktiven Stellen auf der Graphen-Deckschicht. Aufgrund ihrer starken Adsorption an den aktiven Zentren und der hohen Elektronendichte der Graphenoberfläche können dann Reaktionszwischenprodukte effizient gebildet und stabilisiert werden.

Die Forscher fanden heraus, dass die CH3OH-Bildung zugunsten der CC-Kopplung weitgehend unterdrückt wurde. C2H5OH wurde daher ausschließlich mit einer Selektivität von >99 % und einer CO2-Umwandlungsrate von 17,1 mmol gcat-1h-1 unter simulierter Sonneneinstrahlung mit einer kleinen Vorspannung (-50 mV Vorspannung gegenüber Ag/AgCl) und Umgebungsbedingungen erzeugt.

Somit war die photoelektrokatalytische Leistung des optimalen Katalysators bei der Herstellung von C2-Produkten aus CO2 mindestens zwei Größenordnungen höher als die der hochmodernen AP-Katalysatoren.

Mehr Informationen: Guanghui Feng et al., Hochselektive Photoelektroreduktion von Kohlendioxid zu Ethanol über Graphen/Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffen, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202218664

Zeitschrifteninformationen:Angewandte Chemie International Edition

Zur Verfügung gestellt von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften