研究人员开发了一种可持续催化剂，在使用过程中其活性不断增加，同时将二氧化碳（CO2）转化为有价值的产品。此发现为设计下一代电催化剂提供了蓝图。
一支来自诺丁汉大学化学学院和伯明翰大学的合作团队开发了一种由锡微粒支撑纳米纹理碳结构的催化剂。锡微粒与石墨化碳纳米纤维之间的相互作用在将电子从碳电极转移到 CO2 分子中发挥了关键作用——这是将 CO2 在施加电势下转化为甲酸盐的必要步骤。
这项研究的结果发表在《ACS Applied Energy Materials》期刊上，该期刊为美国化学学会的期刊，出版与能源应用材料相关的跨学科研究。
CO2 是全球变暖的主要成因。虽然 CO2 可以转化为有用的产品，但传统的热方法通常依赖于来自化石燃料的氢。因此，开发替代方法如电催化是至关重要的，这种方法利用可持续能源来源，如光伏和风能，同时水作为氢来源的丰富可用性。
在电催化中，施加于催化剂的电势通过材料推动电子与 CO2 和水反应，产生有价值的化合物。甲酸盐就是其中一种产品，广泛应用于聚合物、药物、粘合剂等的化学合成中。为了达到最佳效率，该过程必须在低电势下进行，同时保持高电流密度和选择性，确保有效利用电子将 CO2 转化为所需产品。
诺丁汉大学的研究员 Madasamy Thangamuthu 博士共同领导了研究小组，他说：“一个成功的电催化剂必须与 CO2 分子强结合，并有效注入电子以打破其化学键。我们开发了一种新型碳电极，结合了具有纳米级纹理的石墨化纳米纤维，具有弯曲表面和台阶边缘，以增强与锡微粒的相互作用。”
诺丁汉大学的研究助理 Tom Burwell 在可持续化学博士培训中心学习期间进行了这项工作。他开发了这一方法并进行了实验工作，他说：“我们可以通过测量反应的 CO2 分子消耗的电流来评估催化剂的性能。通常情况下，催化剂在使用过程中会降解，导致活性降低。令人惊讶的是，我们观察到在纳米纹理碳上通过锡的电流在 48 小时内持续增加。反应产物的分析确认几乎所有电子都被用于将 CO2 减少为甲酸盐，生产率提高了 3.6 倍，同时保持近 100% 的选择性。”
研究人员将这种自我优化与锡微粒在 CO2 还原反应中的降解联系在一起，形成直径小至 3 纳米的纳米粒子。Tom Burwell 详细说明道：“通过电子显微镜观察，我们发现较小的锡颗粒与电极的纳米纹理碳接触更好，从而改善电子传输并将活性锡中心的数量提高了近十倍。”
这种变革性行为与以往的研究显著不同，以往催化剂的结构变化通常被视为有害。相反，诺丁汉团队开发的催化剂中的精心设计的支撑允许锡的动态适应并改善性能。
诺丁汉大学化学学院的安德烈·克洛比斯托夫教授表示：“CO2 不仅是一个众所周知的温室气体，还是化学品生产的重要原料。因此，从富含地球材料如碳和锡中设计新催化剂对可持续 CO2 转化及实现英国净零排放目标至关重要。我们的催化剂在长时间使用中也必须保持活性，以确保最佳价值。”
这一发现标志着对电催化支撑设计理解的重大变化。通过精确控制催化剂与其支撑之间的纳米级相互作用，团队为高度选择性和稳定的催化剂将 CO2 转化为有价值的产品奠定了基础。
这项工作得到EPSRC程序资助“面向可持续未来的表面和界面上的金属原子（MASI）”的资金支持，该项目致力于开发用于转化三种关键分子的催化剂材料——二氧化碳、氢和氨——这对经济和环境至关重要。MASI 催化剂以原子高效的方式制造，以确保在不消耗稀有元素的情况下可持续使用化学元素，并最大限度地利用地球丰富的元素，如碳和基本金属。
