기록적인 구리 촉매가 CO2를 액체 연료로 전환하는 방법

1970년대부터 과학자들은 구리가 이산화탄소를 가치 있는 화학 물질과 연료로 바꾸는 특별한 능력이 있다는 사실을 알고 있었습니다. 그러나 수년 동안 과학자들은 이 일반적인 금속이 전자의 에너지를 사용하여 분자를 화학적으로 다른 제품으로 변환하는 메커니즘인 전기 촉매로 어떻게 작용하는지 이해하기 위해 고군분투했습니다.

이제 로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)가 이끄는 연구팀은 구리 나노 입자(10억분의 1미터 규모로 가공된 구리 입자)가 CO를 전환하는 실시간 동영상을 캡처하여 새로운 통찰력을 얻었습니다.₂ 에틸렌, 에탄올 및 프로판올과 같은 재생 가능한 연료 및 화학 물질에 물을 사용합니다. 작업이 저널에 보고되었습니다. 자연 지난주.

“이것은 매우 흥미진진합니다. 수십 년의 연구 끝에 마침내 부인할 수 없는 증거와 함께 구리 전기 촉매가 CO2에서 얼마나 뛰어난지 보여줄 수 있게 되었습니다.₂ 이 연구를 이끈 Berkeley Lab의 재료 과학 및 화학 과학 부문 선임 교수 과학자인 Peidong Yang은 말했습니다. Yang은 또한 UC Berkeley의 화학 및 재료 과학 및 공학 교수입니다. “구리가 얼마나 우수한 전기 촉매인지 알고 있습니다. CO 전환에 한 걸음 더 가까워졌습니다.₂ 인공 광합성을 통해 새롭고 재생 가능한 태양열 연료로.”

라는 새로운 이미징 기술을 결합하여 작업이 가능해졌습니다. 운영 동일한 샘플 환경을 조사하기 위해 소프트 X선 프로브를 사용하는 4D 전기화학 액체 셀 STEM(주사 투과 전자 현미경): 액체의 구리 나노입자. UC Berkeley Miller 박사후 연구원인 제1저자 Yao Yang은 Peidong Yang의 지도 아래 획기적인 접근 방식을 고안했습니다. 코넬대학교 화학과.

인공 광합성 물질과 반응을 연구하는 과학자들은 전자 탐침의 힘을 X선과 결합하기를 원했지만 일반적으로 두 기술은 동일한 장비로 수행할 수 없습니다.

전자 현미경(예: STEM 또는 TEM)은 전자 빔을 사용하며 재료의 일부에서 원자 구조를 특성화하는 데 탁월합니다. 최근 몇 년 동안 Berkeley Lab의 Molecular Foundry와 같은 4D STEM(또는 “주사 투과 전자 현미경을 사용한 2D 회절 패턴의 2D 래스터”) 장비는 전자 현미경의 경계를 더욱 확장하여 과학자들이 원자 또는 단단한 금속 유리에서 부드럽고 유연한 필름에 이르기까지 다양한 재료의 분자 영역.

반면에 부드러운(또는 저에너지) X선은 실시간으로 화학 반응을 식별하고 추적하는 데 유용합니다. 운영, 또는 실제 환경.

그러나 이제 과학자들은 두 세계의 장점을 모두 누릴 수 있습니다. 새로운 기술의 핵심은 놀라운 다용성을 가진 전기화학 “액체 셀” 샘플 홀더입니다. 사람의 머리카락보다 천 배 더 얇은 이 장치는 STEM 및 X선 기기와 모두 호환됩니다.

전기화학 액체 셀의 초박형 디자인은 섬세한 샘플을 전자빔 손상으로부터 보호하면서 신뢰할 수 있는 이미징을 가능하게 합니다. 공동 저자인 Berkeley Lab의 Advanced Light Source 소속 과학자인 Cheng Wang이 맞춤 설계한 특수 전극을 통해 팀은 전기화학 액체 전지로 X선 실험을 수행할 수 있었습니다. 이 두 가지를 결합하면 연구자들은 전기화학 반응을 실시간으로 나노스케일로 포괄적으로 특성화할 수 있습니다.

세분화하기

4D-STEM 실험 동안 Yao Yang과 팀은 새로운 전기화학 액체 전지를 사용하여 구리 나노입자(크기가 7나노미터에서 18나노미터 범위)가 CO 동안 활성 나노입자로 진화하는 것을 관찰했습니다.₂ 전기분해 — 전기를 사용하여 전극촉매 표면에서 반응을 일으키는 과정.

실험 결과 놀라운 사실이 드러났습니다. 구리 나노입자가 전기화학 반응 몇 초 안에 더 큰 금속 구리 “나노그레인”으로 결합되었습니다.

자세한 내용을 알아보기 위해 팀은 10여 년 전에 Advanced Light Source에서 “부드러운 재료를 위한 공진 소프트 X선 산란(RSoXS)”이라는 기술을 개척한 Wang에게 문의했습니다.

Wang의 도움으로 연구팀은 동일한 전기화학 액체 전지를 사용했지만 이번에는 RSoXS 실험 중에 구리 나노입자가 CO를 촉진하는지 여부를 확인했습니다.₂ 절감. 연 X선은 구리 전기 촉매가 CO 동안 어떻게 진화하는지 연구하는 데 이상적입니다.₂ 감소, Wang은 설명했다. 연구원들은 RSoXS를 사용하여 수천 개의 나노 입자 간의 여러 반응을 실시간으로 모니터링하고 화학 반응물과 제품을 정확하게 식별할 수 있습니다.

Cornell High Energy Synchrotron Source(CHESS)에서 수집된 추가 증거와 함께 Advanced Light Source에서의 RSoXS 실험은 금속성 구리 나노입자가 CO의 활성 사이트 역할을 한다는 것을 입증했습니다.₂ 절감. (구리(0)라고도 하는 금속 구리는 구리 원소의 한 형태입니다.)

CO 동안₂ 전기분해에서 구리 나노입자는 “전기화학적 스크램블링”이라는 과정 중에 구조를 변경합니다. 구리 나노입자의 산화물 표면층이 분해되어 구리 표면에 CO에 대한 개방 사이트를 생성합니다.₂ 부착하는 분자라고 Peidong Yang은 설명했다. 그리고 CO로서₂ 구리 나노입자 표면에 “도킹”하거나 결합하면 전자가 CO로 전달됩니다.₂다른 다중 탄소 생성물과 함께 에틸렌, 에탄올 및 프로판올을 동시에 생성하는 반응을 일으킴.

“구리 나노입자는 본질적으로 작은 화학 제조 공장으로 변합니다.”라고 Yao Yang은 말했습니다.

Molecular Foundry, Advanced Light Source 및 CHESS에서 추가 실험을 통해 크기가 중요하다는 사실이 밝혀졌습니다. 7나노미터 구리 나노입자는 모두 CO에 참여₂ 더 큰 나노입자는 그렇지 않은 반면. 또한 팀은 금속성 구리만이 CO를 효율적으로 줄일 수 있다는 사실을 알게 되었습니다.₂ 멀티카본 제품으로 연구 결과는 “합리적으로 효율적인 CO 설계₂ 전기 촉매,” Peidong Yang이 말했습니다.

새로운 연구는 또한 2017년 Peidong Yang의 연구 결과를 검증했습니다.₂ 절감. 전기 촉매로서 7나노미터 구리 나노 입자는 일반적인 벌크 구리 전기 촉매보다 약 300밀리볼트 낮은 기록적으로 낮은 구동력을 필요로 했습니다. CO로부터 다중 탄소 제품을 생산하는 최고 성능의 촉매₂ 일반적으로 1볼트의 높은 구동력에서 작동합니다.

구리 나노입자는 햇빛, 물, CO로부터 태양 연료를 생산하는 것을 목표로 하는 연구 분야인 인공 광합성을 위해 설계된 일부 촉매의 에너지 효율과 생산성을 잠재적으로 높일 수 있습니다.₂. 현재 에너지부에서 자금을 지원하는 LiSA(Liquid Sunlight Alliance)의 연구원들은 미래의 태양 연료 장치 설계에 구리 나노입자 촉매를 사용할 계획입니다.

“화학 공정의 실시간 동영상을 기록하는 이 기술의 능력은 다른 많은 전기화학 에너지 전환 공정을 연구할 수 있는 흥미로운 기회를 열어줍니다. 이것은 엄청난 돌파구이며 Yao와 그의 선구적인 작업 없이는 불가능했을 것입니다.”라고 Peidong Yang은 말했습니다. .

Berkeley Lab, UC Berkeley 및 Cornell University의 연구원들이 작업에 기여했습니다. 이 논문의 다른 저자로는 공동 제1저자인 Sheena Louisa와 전 UC Berkeley 박사였던 Yu Sunmoon이 있습니다. Peidong Yang의 그룹 학생들과 함께 Jianbo Jin, Inwhan Roh, Chubai Chen, Maria V. Fonseca Guzman, Julian Feijóo, Peng-Cheng Chen, Hongsen Wang, Christopher Pollock, Xin Huang, Yu-Tsuan Shao, Cheng Wang, David A 뮬러, 헥토르 D. 아브루냐.

실험의 일부는 화학 및 화학 생물학 교수 Héctor Abruña와 공학 교수 David A. Muller의 감독하에 Cornell의 Yao Yang이 수행했습니다.

이 작업은 DOE Office of Science의 지원을 받았습니다.

Molecular Foundry 및 Advanced Light Source는 Berkeley Lab의 사용자 시설입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/02/230216161228.htm