Redução eletrocatalítica de dióxido de carbono (CO₂ ) é considerada uma estratégia eficaz para mitigar a crise energética e o efeito estufa. Entre os múltiplos produtos de redução, o CO é considerado o de maior valor de mercado, pois é uma matéria-prima crucial para o processo Fischer-Tropsch, que pode sintetizar hidrocarbonetos de cadeia longa de alto valor.



Como a reação de redução do dióxido de carbono (CO₂ RR) possui intermediários complexos e múltiplos processos de transferência de elétrons acoplados a prótons, melhorando a atividade da reação e a seletividade dos produtos continuam sendo dois grandes desafios.

Os catalisadores de átomo único (SACs) têm as vantagens de alta utilização de átomos, estrutura de coordenação ajustável e excelente desempenho catalítico. Além disso, devido à estrutura eletrônica especial do níquel metálico, é mais provável que ele perca elétrons para formar orbitais d mais externos vazios e exiba alta atividade e seletividade para CO₂ RR para gerar CO.

Uma equipe de cientistas resumiu o progresso considerável dos SACs de Ni nos últimos anos. Seu trabalho foi publicado em Industrial Chemistry &Materials .

"Projetando novos catalisadores para melhorar a atividade e seletividade do CO₂ A RR é crucial para superar o problema da crise energética e da poluição ambiental", disse Yuhang Li, professor da Universidade de Ciência e Tecnologia do Leste da China, China,

"Nesta mini-revisão, apresentamos três estratégias usadas para melhorar o desempenho catalítico dos SACs de Ni, incluindo diferentes estruturas de suporte, regulação da estrutura de coordenação e modificação de superfície. No final, também resumimos os desafios existentes dos SACs de Ni e fornecemos uma perspectiva sobre o desenvolvimento futuro neste campo."

Os SACs reduzem o tamanho dos sítios ativos para a escala atômica e, portanto, obtêm estrutura eletrônica extraordinária, poderosas interações metal-suporte, átomos metálicos de baixa coordenação e utilização máxima de átomos ao mesmo tempo. Portanto, a aplicação de SACs em CO₂ A RR poderia controlar eficazmente a distribuição de produtos e aliviar o custo da separação dos produtos.

"Algumas pesquisas baseadas na teoria do campo cristalino indicaram que as configurações eletrônicas dos orbitais d dos metais centrais são significativas para a seletividade e atividade do CO₂ RR”, disse Li.

"No caso do níquel como átomo de metal central, é mais provável que ele forme o orbital d mais externo vago para facilitar a transferência de elétrons entre o átomo C do CO₂ e o átomo de Ni. Portanto, o CO absorvido₂ moléculas podem ser ativadas eficientemente. Os SACs de Ni também podem minimizar o potencial de reação do CO₂ -Conversão de CO, que é de grande importância para aumentar a seletividade em relação ao CO."

"Os SACs de Ni alcançaram progresso contínuo nos últimos anos. Do ponto de vista microscópico, as estratégias de projeto incluem a escolha de diferentes substratos, a regulação da estrutura de coordenação e a modificação da superfície do catalisador. A estrutura eletrônica do centro ativo é o fator mais crucial que afeta o catalítico desempenho", disse Li.

Ainda há um enorme potencial para Ni SACs em projetos e aplicações futuras. A modulação precisa da microestrutura fornece locais mais ativos e, portanto, melhora ainda mais o desempenho dos SACs de Ni. A otimização das células eletrolíticas e o desenvolvimento de mais tipos de eletrólitos podem expandir a gama de aplicações de Ni SACs e permitir a comercialização em larga escala no futuro.

Além disso, os pesquisadores acreditam que o desenvolvimento de mais técnicas in-situ para obter insights mais profundos sobre a relação entre a estrutura e as propriedades do material pode fornecer uma orientação valiosa para o projeto de SACs de Ni de maior valor.

"Nesta mini-revisão, nosso principal objetivo é fornecer aos leitores o progresso atual da pesquisa em Ni SACs em CO₂ RR e para mostrar nossos insights sobre o projeto e aplicação de catalisadores de átomo único", disse Li.

A equipe de pesquisa inclui Ziyan Yang, Rongzhen Chen, Ling Zhang, Yuhang Li e Chunzhong Li da Universidade de Ciência e Tecnologia do Leste da China.

Mais informações: Ziyan Yang et al, Progresso recente em catalisadores de átomo único de níquel para a eletrorredução de CO₂ para CO, Química Industrial e Materiais (2024). DOI:10.1039/D3IM00109A
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