纳米锡催化剂的发现为可持续的二氧化碳转化铺平了道路

研究人员开发了一种可持续的催化剂，可以在使用过程中提高其活性，同时将二氧化碳（CO2）转化为有价值的产品。这一发现为设计下一代电催化剂提供了蓝图

来自诺丁汉大学化学学院和伯明翰大学的一个合作团队开发了一种由纳米结构碳支撑的锡微粒制成的催化剂。锡颗粒和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二氧化碳分子中起着至关重要的作用，这是在施加电势下将二氧化碳转化为甲酸盐的重要步骤

这项研究的结果发表在ACS应用能源材料上

二氧化碳是全球变暖的主要因素。虽然二氧化碳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气。因此，开发电催化等替代方法至关重要，该方法利用光伏和风能等可持续能源，以及丰富的水作为氢源

在电催化中，向催化剂施加电势会驱动电子通过材料与二氧化碳和水反应，产生有价值的化合物。甲酸盐是一种此类产品，广泛应用于聚合物、药品、粘合剂等的化学合成。为了达到最佳效率，该过程必须在低电势下运行，同时保持高电流密度和选择性，确保有效利用电子将二氧化碳转化为所需产物

通过电化学反应器的CO2气泡溶解在水中，并在电催化剂的帮助下反应形成各种产物。来源：诺丁汉大学研究员Madasamy Thangamuthu博士共同领导了该研究小组，他说：“成功的电催化剂必须与二氧化碳分子牢固结合，并有效地注入电子以打破其化学键。我们开发了一种新型碳电极，该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，以增强与锡颗粒的相互作用。”诺丁汉大学研究助理Tom Burwell在可持续化学博士培训中心学习期间承担了这项工作。他开发了这种方法并进行了实验工作，他说：“我们可以通过测量反应的二氧化碳分子消耗的电流来评估催化剂的性能。通常，催化剂在使用过程中会降解，导致活性降低。”令人惊讶的是，我们观察到流经纳米结构碳上锡的电流在48小时内持续增加。对反应产物的分析证实，几乎所有的电子都被用来将二氧化碳还原为甲酸盐，将生产率提高了3.6倍，同时保持了近100%的选择性。“

研究人员将这种自我优化与锡微粒在二氧化碳还原反应中分解成小至3纳米的纳米粒子联系起来。Tom Burwell详细阐述说：”使用电子显微镜，我们发现较小的锡粒子与电极的纳米结构碳有更好的接触，改善了电子传输，并将活性锡中心的数量增加了近十倍。“

这种变革行为与之前的研究有很大不同，在之前的研究中，催化剂的结构变化通常被视为有害的。相反，诺丁汉团队开发的催化剂中精心设计的支撑允许锡的动态适应和性能的提高。

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诺丁汉大学化学学院Andrei Khlobystov教授说：“二氧化碳不仅是一种众所周知的温室气体，也是一种有价值的温室气体。用于生产化学品的原料。因此，利用碳和锡等富含地球的材料设计新的催化剂对于可持续的二氧化碳转化和实现英国的净零排放目标至关重要。我们的催化剂还必须在长时间使用后保持活性，以确保最佳价值。“

这一发现标志着对电催化载体设计的理解发生了重大变化。通过在纳米级精确控制催化剂与其载体之间的相互作用，该团队为高选择性和稳定的催化剂将二氧化碳转化为有价值的产品奠定了基础