기록적인 구리 촉매가 CO2를 액체 연료로 전환하는 방법
날짜:
2023년 2월 16일
원천:
DOE/로렌스 버클리 국립 연구소
요약:
연구자들은 구리 나노입자가 이산화탄소와 물을 재생 가능한 연료와 화학 물질로 전환하도록 진화함에 따라 실시간 동영상을 만들었습니다. 그들의 새로운 통찰력은 차세대 태양열 연료를 발전시키는 데 도움이 될 수 있습니다.
전체 이야기
1970년대부터 과학자들은 구리가 이산화탄소를 가치 있는 화학 물질과 연료로 바꾸는 특별한 능력이 있다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 수년 동안 과학자들은 이 일반적인 금속이 전자의 에너지를 사용하여 분자를 다른 제품으로 화학적으로 변환하는 메커니즘인 전기 촉매로 어떻게 작용하는지 이해하기 위해 고군분투했습니다.
이제 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)가 이끄는 연구팀은 구리 나노 입자(10억분의 1미터 규모로 가공된 구리 입자)가 CO2와 물 을 재생 가능한 연료 및 화학 물질: 에틸렌, 에탄올, 프로판올 등. 이 작업은 지난주 네이처 저널에 보고되었습니다 .
"이것은 매우 흥미진진합니다. 수십 년의 작업 끝에 우리는 마침내 부인할 수 없는 증거와 함께 구리 전기 촉매가 어떻게 CO 2 감소에 뛰어난지 보여줄 수 있었습니다. 연구를 주도한 과학 부서. Yang은 또한 UC Berkeley의 화학 및 재료 과학 및 공학 교수입니다. "구리가 얼마나 훌륭한 전기 촉매인지를 아는 것은 CO2를 인공 광합성을 통해 새롭고 재생 가능한 태양 연료로 전환하는 데 한 걸음 더 다가가게 합니다 . "
이 작업은 operando 4D 전기화학 액체 셀 STEM(주사 투과 전자 현미경)이라는 새로운 이미징 기술을 소프트 X선 프로브와 결합하여 동일한 샘플 환경인 액체의 구리 나노입자를 조사함으로써 가능해졌습니다 . UC Berkeley Miller 박사후 연구원인 제1저자 Yao Yang은 Peidong Yang의 지도 아래 획기적인 접근 방식을 고안했습니다. 코넬대학교 화학과.
인공 광합성 물질과 반응을 연구하는 과학자들은 전자 탐침의 힘을 X선과 결합하기를 원했지만 일반적으로 두 기술은 동일한 장비로 수행할 수 없습니다.
전자 현미경(예: STEM 또는 TEM)은 전자 빔을 사용하며 재료의 일부에서 원자 구조를 특성화하는 데 탁월합니다. 최근 몇 년 동안 Berkeley Lab의 Molecular Foundry와 같은 4D STEM(또는 "주사 투과 전자 현미경을 사용한 2D 회절 패턴의 2D 래스터") 장비는 전자 현미경의 경계를 더욱 확장하여 과학자들이 원자 또는 단단한 금속 유리에서 부드럽고 유연한 필름에 이르기까지 다양한 재료의 분자 영역.
반면에 연성(또는 저에너지) X선은 피연산자 또는 실제 환경에서 실시간으로 화학 반응을 식별하고 추적하는 데 유용합니다.
그러나 이제 과학자들은 두 세계의 장점을 모두 누릴 수 있습니다. 새로운 기술의 핵심은 놀라운 다용성을 가진 전기화학 "액체 셀" 샘플 홀더입니다. 사람의 머리카락보다 천 배 더 얇은 이 장치는 STEM 및 X선 기기와 모두 호환됩니다.
전기화학 액체 셀의 초박형 디자인은 섬세한 샘플을 전자빔 손상으로부터 보호하면서 신뢰할 수 있는 이미징을 가능하게 합니다. 공동 저자인 Berkeley Lab의 Advanced Light Source 소속 과학자인 Cheng Wang이 맞춤 설계한 특수 전극을 통해 팀은 전기화학 액체 전지로 X선 실험을 수행할 수 있었습니다. 이 두 가지를 결합하면 연구자들은 전기화학 반응을 실시간으로 나노스케일로 포괄적으로 특성화할 수 있습니다.
세분화하기
4D-STEM 실험에서 Yao Yang과 팀은 새로운 전기화학 액체 전지를 사용하여 전기를 사용하여 반응을 일으키는 과정인 CO 2 전기분해 동안 활성 나노입자로 진화하는 구리 나노입자(크기가 7나노미터에서 18나노미터 범위임)를 관찰 했습니다 . 전기 촉매 표면에.
실험 결과 놀라운 사실이 밝혀졌습니다. 구리 나노입자가 전기화학 반응 몇 초 내에 더 큰 금속 구리 "나노그레인"으로 결합되었습니다.
자세한 내용을 알아보기 위해 팀은 10여 년 전에 Advanced Light Source에서 "부드러운 재료를 위한 공진 소프트 X선 산란(RSoXS)"이라는 기술을 개척한 Wang에게 문의했습니다.
Wang의 도움으로 연구팀은 RSoXS 실험 동안 동일한 전기화학 액체 전지를 사용하여 구리 나노입자가 CO 2 감소를 촉진하는지 여부를 확인했습니다. Soft X-ray는 CO 2 감소 동안 구리 전극 촉매가 어떻게 진화하는지 연구하는 데 이상적이라고 Wang은 설명했습니다. 연구원들은 RSoXS를 사용하여 수천 개의 나노 입자 간의 여러 반응을 실시간으로 모니터링하고 화학 반응물과 제품을 정확하게 식별할 수 있습니다.
Cornell High Energy Synchrotron Source(CHESS)에서 수집된 추가 증거와 함께 Advanced Light Source에서의 RSoXS 실험은 금속성 구리 나노입자가 CO 2 감소를 위한 활성 사이트 역할을 한다는 것을 입증 했습니다 . (구리(0)라고도 하는 금속 구리는 구리 원소의 한 형태입니다.)
CO 2 전기분해 동안 구리 나노입자는 "전기화학적 스크램블링"이라고 하는 과정 중에 구조를 변경합니다. 구리 나노입자의 산화물 표면층은 열화되어 CO 2 분자가 부착할 수 있는 구리 표면에 열린 사이트를 생성한다고 Peidong Yang은 설명했습니다. 그리고 CO2 가 구리 나노입자 표면에 "도킹"하거나 결합하면 전자가 CO2로 전달되어 다른 다중 탄소 생성물과 함께 에틸렌, 에탄올 및 프로판올을 동시에 생성하는 반응을 일으킵니다.
"구리 나노입자는 본질적으로 작은 화학 제조 공장으로 변합니다."라고 Yao Yang은 말했습니다.
Molecular Foundry, Advanced Light Source 및 CHESS에서 추가 실험을 통해 크기가 중요하다는 사실이 밝혀졌습니다. 모든 7나노미터 구리 나노입자는 CO 2 감소에 참여했지만, 더 큰 나노입자는 참여하지 않았습니다. 또한 팀은 금속 구리만이 효율적으로 CO2를 다중 탄소 제품으로 줄일 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 이 발견은 "효율적인 CO 2 전기 촉매를 합리적으로 설계"하는 데 영향을 미친다고 Peidong Yang은 말했습니다.
새로운 연구는 또한 2017년 Peidong Yang의 연구 결과를 검증 했습니다 . 전기 촉매로서 7나노미터 구리 나노 입자는 일반적인 벌크 구리 전기 촉매보다 약 300밀리볼트 낮은 기록적으로 낮은 구동력을 필요로 했습니다. CO 2 로부터 다중탄소 생성물을 생성하는 최고 성능의 촉매는 일반적으로 1볼트의 높은 구동력에서 작동합니다.
구리 나노입자는 햇빛, 물, CO 2 로부터 태양 연료를 생산하는 것을 목표로 하는 연구 분야인 인공 광합성을 위해 설계된 일부 촉매의 에너지 효율과 생산성을 잠재적으로 높일 수 있습니다 . 현재 에너지부에서 자금을 지원하는 LiSA(Liquid Sunlight Alliance)의 연구원들은 미래의 태양 연료 장치 설계에 구리 나노입자 촉매를 사용할 계획입니다.
"화학 공정의 실시간 동영상을 기록하는 이 기술의 능력은 다른 많은 전기화학 에너지 전환 공정을 연구할 수 있는 흥미로운 기회를 열어줍니다. 이는 엄청난 돌파구이며 Yao와 그의 선구적인 작업 없이는 불가능했을 것입니다."라고 Peidong Yang은 말했습니다. .
Berkeley Lab, UC Berkeley 및 Cornell University의 연구원들이 작업에 기여했습니다. 이 논문의 다른 저자로는 공동 제1저자인 Sheena Louisa와 전 UC Berkeley 박사였던 Yu Sunmoon이 있습니다. Peidong Yang 그룹의 학생들, Jianbo Jin, Inwhan Roh, Chubai Chen, Maria V. Fonseca Guzman, Julian Feijóo, Peng-Cheng Chen, Hongsen Wang, Christopher Pollock, Xin Huang, Yu-Tsuan Shao, Cheng Wang, David A 뮬러, 헥토르 D. 아브루냐.
실험의 일부는 화학 및 화학 생물학 교수 Héctor Abruña와 공학 교수 David A. Muller의 감독하에 Cornell의 Yao Yang이 수행했습니다.
이 작업은 DOE Office of Science의 지원을 받았습니다.
Molecular Foundry 및 Advanced Light Source는 Berkeley Lab의 사용자 시설입니다.
출처 : https://www.sciencedaily.com/