p Diminuindo a emissão e utilização eficiente (fixação) de dióxido de carbono (CO ₂ ) são problemas mundiais para prevenir o aquecimento global. A promoção do uso de energia renovável é eficaz na redução de CO ₂ emissões. Contudo, uma vez que existem grandes flutuações dependentes do tempo e grandes diferenças regionais na produção de energia renovável, é necessário estabelecer uma tecnologia de fixação que permita o transporte e armazenamento eficiente da energia. Assim, há um interesse crescente em tecnologias para sintetizar produtos químicos úteis a partir de CO ₂ utilizando eletricidade derivada de energia renovável. Em particular, o ácido fórmico está atraindo muita atenção como transportador de energia (hidrogênio) porque é líquido e não tóxico à temperatura ambiente. O estabelecimento desta tecnologia contribuirá para o transporte e armazenamento eficientes de energia renovável e para a fixação de CO ₂ , e permitir o armazenamento de energia com alta compatibilidade ambiental. p Na redução eletroquímica de CO ₂ , sabe-se que o ácido fórmico pode ser obtido com uma eficiência Faradic de cerca de 50 a 60% usando estanho (Sn) como catalisador catódico. Contudo, a fim de desenvolver esta tecnologia para uso prático, são necessárias melhorias adicionais da eficiência Faradic e uma redução do sobrepotencial. Há muito interesse ativo na pesquisa para compreender os princípios de design de catalisadores para permitir que esses objetivos sejam alcançados.

p A presente equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Tsujiguchi e seus colegas da Universidade de Kanazawa, em colaboração com cientistas da Universidade de Tsukuba e da Universidade de Osaka, preparou um catalisador de estanho / óxido de grafeno reduzido (Sn / rGO) no qual Sn foi apoiado em óxido de grafite reduzido por termômetro redução de cloreto de estanho (SnCl ₂ ) e óxido de grafeno (GO) obtido pela oxidação do pó de grafite usando o método Hummers aprimorado. No catalisador assim preparado, Sn está uniformemente disperso na camada rGO, e o composto é empilhado para formar uma morfologia 3-D, ou seja, rGO / Sn / rGO.

p Este catalisador é caracterizado como um portador com grupo funcional contendo uma quantidade muito maior de oxigênio do que o catalisador de estanho / grafite usado para comparação. Quando realizamos a redução eletroquímica do CO ₂ usando esses catalisadores com CO ₂ dissolvido em uma solução de hidrogenocarbonato de potássio (KHCO ₃ ), verificou-se que o catalisador Sn / rGO diminuiu significativamente o sobrepotencial e permitiu a obtenção de uma alta densidade de corrente em comparação com o catalisador Sn. Além disso, quando a redução de CO ₂ foi realizado em um potencial constante, quase nenhum produto além do ácido fórmico, como H ₂ e companhia, foram detectados e tivemos sucesso na obtenção de ácido fórmico com uma eficiência Faradic de 98% (1,8 vezes maior que com o catalisador Sn sozinho).

p A razão para a produção de ácido fórmico altamente eficiente obtida usando o catalisador Sn / rGO é seu alto CO ₂ capacidade de adsorção. Sn / rGO pode adsorver quatro vezes mais CO ₂ como catalisador Sn sozinho. Avançar, a taxa de CO ₂ a adsorção é oito vezes maior do que apenas o catalisador Sn. A química computacional previu que este alto CO ₂ a capacidade de adsorção seria devido aos grupos funcionais oxidados de rGO e que a produção de hidrogênio e monóxido de carbono seria suprimida uma vez que o CO ₂ adsorvido pelo grupo funcional oxidado de rGO é rápida e eficientemente fornecido à superfície Sn adjacente.

p A fim de confirmar experimentalmente este mecanismo, nossa equipe tentou imagens eletroquímicas da atividade catalítica com um microscópio de células eletroquímicas de varredura. Foi revelado que uma densidade de corrente de redução significativamente maior foi observada na interface entre Sn e rGO do que nas superfícies de Sn ou rGO (Fig. 3), sugerindo que uma grande quantidade de ácido fórmico é sintetizada em Sn adjacente a rGO, em apoio à previsão acima por química computacional. Esta é a primeira demonstração experimental usando um microscópio de células eletroquímicas de varredura que a síntese de ácido fórmico está ocorrendo ativamente na interface entre o catalisador e o suporte. Assim, a síntese de ácido fórmico mais eficiente seria possível combinando um suporte com um alto CO ₂ capacidade de adsorção com um catalisador para redução eletroquímica de CO ₂ . Isso fornece uma estrutura importante que pode ser aplicada a todos os catalisadores disponíveis até agora.

p Os resultados do presente estudo fornecem novos insights sobre o desenvolvimento de catalisadores para a síntese de ácido fórmico pela redução de CO. ₂ , e um progresso dramático é esperado no desenvolvimento da tecnologia de síntese de ácido fórmico pela redução eletroquímica de CO ₂ . Além disso, demonstramos uma melhoria da seletividade devido ao excelente CO ₂ capacidade de adsorção do suporte bem como elucidar o seu mecanismo de reação. Isso deve ter um grande impacto na tecnologia de redução eletroquímica relacionada ao CO ₂ , incluindo a síntese de metanol, metano e olefinas. Portanto, tem o potencial de ser uma tecnologia básica útil na síntese de produtos químicos de CO ₂ . No futuro, esperamos que o desenvolvimento de células de redução eletroquímica usando este catalisador seja incentivado, levando à criação de dispositivos de armazenamento de energia com alta compatibilidade ambiental que podem contribuir para a fixação de CO ₂ e promoção do uso eficiente de energias renováveis.