À medida que a indústria se desenvolveu ao longo do século passado, a emissão excessiva de dióxido de carbono levou a problemas climáticos e efeitos de estufa. Os cientistas estão constantemente trabalhando em busca de soluções para os problemas dos gases de efeito estufa, que estão aquecendo a superfície da Terra e as partes mais baixas da atmosfera. O dióxido de carbono é o mais prevalente dos gases de efeito estufa.
O dióxido de carbono pode ser reduzido eletroquimicamente em produtos químicos valiosos usando energias elétricas derivadas do vento ou da luz solar. Essa eletrorredução de dióxido de carbono apresenta aos cientistas uma estratégia promissora para gerenciar o balanço de carbono em escala global. A redução eletroquímica do dióxido de carbono oferece o potencial futuro para converter o dióxido de carbono em produtos químicos úteis e mais ecológicos, como monóxido de carbono, metano ou etanol. Para alcançar a eletrorredução de dióxido de carbono, os cientistas precisam de eletrocatalisadores eficientes. Os eletrocatalisadores são os catalisadores usados ​​em reações eletroquímicas. Eles podem aumentar a velocidade da reação que ocorre. Uma equipe de pesquisa da Universidade de Nanjing construiu catalisadores usando um método de dopagem com flúor que melhora seu desempenho.

A equipe de pesquisa relatou suas descobertas na Nano Research .

Os cientistas sabem que os catalisadores de sítio único metal-nitrogênio-carbono de baixo custo funcionam bem para a eletrorredução de dióxido de carbono em monóxido de carbono. Entre estes, os catalisadores de sítio único de carbono dopado com níquel-nitrogênio possuem a alta eficiência faradaica do monóxido de carbono e grande corrente parcial. A eficiência faradaica descreve quão eficientemente a carga é transferida em uma reação eletroquímica.

A equipe de pesquisa já aumentou a eficiência faradaica e a grande corrente parcial de catalisadores de sítio único de carbono dopados com níquel-nitrogênio, dopando-os. Em comparação com os catalisadores de sítio único de carbono dopado com níquel-nitrogênio, os catalisadores de sítio único de ferro-nitrogênio-carbono têm sobrepotenciais mais baixos para eletrorredução de dióxido de carbono. Sobrepotencial descreve a eficiência de tensão de uma célula. Pesquisas anteriores usaram espectroscopia de estrutura fina de absorção de raios X para verificar se os sítios ativos dos catalisadores de sítio único ferro-nitrogênio-carbono são Fe ³⁺ locais. Estes Fe ³⁺ sítios permitem que o catalisador seja mais eficaz na adsorção de dióxido de carbono e na dessorção de monóxido de carbono.

A equipe construiu um catalisador de sítio único de ferro-nitrogênio-carbono dopado com flúor que possui mais Fe ³⁺ sites, como eles esperavam. O catalisador de sítio único de ferro-nitrogênio-carbono dopado com flúor que eles construíram manteve a vantagem de baixo sobrepotencial. Também promoveu a eficiência faradaica do monóxido de carbono de um alto valor semelhante ao de um vulcão para um alto valor de platô. "Os resultados indicam a estabilidade superior do ferro-nitrogênio-carbono dopado com flúor em relação ao ferro-nitrogênio-carbono por causa da dopagem com flúor", disse Lijun Yang, professor associado da Escola de Química e Engenharia Química da Universidade de Nanjing.

A equipe de pesquisa conclui que a dopagem de flúor com retirada de elétrons permite que o catalisador de sítio único ferro-nitrogênio-carbono mantenha a vantagem de baixo sobrepotencial, com uma eficiência faradaica de monóxido de carbono muito maior e densidade de corrente parcial devido ao Fe estabilizado>3+ locais.

A equipe sintetizou o ferro-nitrogênio-carbono usando um método de calor chamado pirólise de adsorção. Eles realizaram os experimentos de eletrorredução de dióxido de carbono em uma célula do tipo H e uma célula de eletrodo de difusão de gás. Eles usaram cálculos teóricos para entender melhor as melhorias que aconteceram com a dopagem com flúor.

"Os testes eletroquímicos mostram que os defeitos enriquecidos pela dopagem com flúor aumentam cineticamente a área de superfície eletroativa e melhoram a transferência de carga", disse Yang. Olhando para a frente para um estudo mais aprofundado, as descobertas da equipe de pesquisa fornecem uma estratégia simples e controlável para melhorar o desempenho de eletrorredução de dióxido de carbono para monóxido de carbono de catalisadores de ferro-nitrogênio-carbono, estabilizando o Fe ³⁺ locais. + Explorar mais

Catalisador em tandem para melhorar a eletrorredução de dióxido de carbono a metano