A eletrocatálise desempenha um papel vital no desenvolvimento de energia limpa, remoção de gases de efeito estufa e tecnologias de armazenamento de energia. Um estudo co-liderado por pesquisadores da City University of Hong Kong (CityU) descobriu que os nanotubos de carbono de parede única são excelentes substratos para aumentar a conversão de gases de efeito estufa através da curvatura molecular.



Ao usar esses nanotubos como suporte para induzir tensão em um eletrocatalisador, a eficiência da redução do dióxido de carbono em metanol pode ser significativamente melhorada.

Esta inovação abre caminhos para o desenvolvimento de eletrocatalisadores moleculares curvos para converter eficientemente dióxido de carbono (CO₂ ), um dos principais gases com efeito de estufa, em produtos químicos e combustíveis úteis, reduzindo assim as emissões de carbono. O trabalho está publicado na revista Nature Catalysis .

Muitos complexos moleculares, como a ftalocianina de cobalto (CoPc), são catalisadores eficientes para CO₂ reação de redução (CO₂ RR). No entanto, eles reduzem principalmente o CO₂ ao venenoso monóxido de carbono (CO), sem gerar ainda uma quantidade substancial de produtos úteis, como o metanol. “Portanto, queremos explorar o potencial do CoPc além da produção de CO”, disse o professor Ye Ruquan, do Departamento de Química da City University of Hong Kong (CityU), que liderou a pesquisa.

Ao mesmo tempo, sabe-se que a deformação afeta as propriedades dos materiais bidimensionais, que geralmente estão na escala de nanômetros (nm). "O uso de substratos curvos, ou suportes, para induzir deformação local está bem estabelecido para modular as propriedades de materiais em camadas convencionais", explicou o professor Ye.

"Mas o controle racional da cepa das moléculas planares é um desafio devido ao seu tamanho ultrapequeno. E como a cepa afeta as propriedades moleculares permanece pouco compreendida."

Juntamente com seus colaboradores, o professor Ye liderou uma equipe de pesquisa para investigar a reatividade de catalisadores moleculares de CoPc em escala nanométrica, adotando a engenharia de deformação induzida por suporte. Eles introduziram com sucesso a tensão controlada em moléculas sub-2 nm do catalisador usando nanotubos de carbono de parede única como suporte.

A curvatura dos nanotubos devido às interações moleculares induz tensão nas moléculas catalíticas, resultando em flexão. O uso de substratos de nanotubos de carbono com diâmetros diferentes permite ajustar o ângulo de curvatura das moléculas de CoPc variando de 96° (para nanotubos de carbono de 1 nm de diâmetro) a 1,5° (para nanotubos de carbono de 100 nm de diâmetro).

Em comparação com as moléculas planares tradicionais, as moléculas curvas exibiram melhor desempenho eletrocatalítico. Eles mostraram maior seletividade para CO₂ redução, favorecendo a produção de metanol em detrimento do monóxido de carbono.

Em um eletrolisador de fluxo tandem com CoPc monodisperso em nanotubos de carbono de parede única para CO₂ redução, a equipe alcançou uma densidade de corrente parcial de metanol de mais de 90 mA cm ⁻² com mais de 60% de seletividade, o que significa que o CO₂ total -a eficiência do metanol é de 60%. Esta é uma melhoria significativa em relação aos métodos existentes.

A sua análise baseada em cálculos teóricos confirmou que o CoPc curvo nos nanotubos de carbono de parede única melhorou a ligação do CO, permitindo a consequente redução do monóxido de carbono. Em contraste, nanotubos de carbono de paredes múltiplas favorecem a liberação de CO.

"Nossas descobertas mostram que os nanotubos de carbono são materiais de suporte excepcionais para catalisadores como o CoPc. As grandes áreas superficiais específicas dos nanotubos de carbono dispersam prontamente as nanopartículas, evitando aglomeração, e sua alta condutividade eletrônica os tornam promissores para aplicações eletroquímicas, "disse o professor Ye.

"Mais importante ainda, mostramos que a indução da distorção molecular por meio de nanotubos de carbono de parede única fornece uma estratégia para projetar eletrocatalisadores moleculares de alto desempenho. Este avanço é promissor para alcançar a neutralidade de carbono, pois pode armazenar CO₂ e eletricidade renovável como energia química", concluiu.

Mais informações: Jianjun Su et al, Strain aumenta a atividade de eletrocatalisadores moleculares por meio de suportes de nanotubos de carbono, Nature Catalysis (2023). DOI:10.1038/s41929-023-01005-3
Informações do diário: Catálise da Natureza

Fornecido pela Universidade Municipal de Hong Kong