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Dec 03, 2023

Redução eletroquímica seletiva de CO2 em Cu bimetálico composicionalmente variante

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 13456 (2022) Citar este artigo

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A redução eletrocatalítica do dióxido de carbono (CO2RR) em combustíveis de valor agregado é uma iniciativa promissora para superar os efeitos adversos do CO2 nas mudanças climáticas. A maioria dos eletrocatalisadores estudados, no entanto, ignora as práticas de mineração prejudiciais usadas para extrair esses catalisadores em busca de alto desempenho. O reaproveitamento de sucata para usar como eletrocatalisadores alternativos seria, portanto, de alto privilégio, mesmo com o comprometimento do alto desempenho. Neste trabalho, demonstramos o reaproveitamento de sucatas de ligas de latão com diferentes teores de Zn para a conversão de CO2 em monóxido de carbono e formiato. As ligas de sucata foram ativadas para CO2RR por meio de recozimento simples ao ar e tornaram-se mais seletivas para a produção de CO por meio da substituição galvânica por Ag. Após a substituição galvânica por Ag, os eletrocatalisadores à base de sucata de latão mostraram maior densidade de corrente para produção de CO com melhor seletividade para a formação de CO. Os cálculos da teoria funcional da densidade (DFT) foram usados ​​para elucidar o mecanismo potencial e a seletividade dos catalisadores de sucata de latão em direção ao CO2RR. O centro da banda d nas diferentes amostras de latão com diferentes teores de Zn foi elucidado.

Para mitigar os efeitos nocivos das mudanças climáticas, a comunidade científica está buscando uma visão de sustentabilidade que se enquadra nos limites planetários. A alta demanda de energia levou ao consumo excessivo de combustíveis fósseis e ao excesso de emissões de dióxido de carbono (CO2)1,2. A mineração excessiva de minerais também, devido à má regulamentação geral, está enredada em uma rede de danos ambientais e sociais3,4. Portanto, um considerável trabalho de pesquisa é direcionado para afastar a mineração de metais e a combustão de combustíveis fósseis em busca de alternativas mais ecológicas5,6. Desenvolver uma solução que fará uso de fontes de energia renováveis ​​e construir uma base para esquemas de reciclagem acessíveis são a chave para um futuro sustentável7,8.

Assim, como um passo promissor para fechar o ciclo do carbono, a reação eletrocatalítica de redução de CO2 (CO2RR) tem atraído grande interesse de pesquisa. Apesar de se mostrar uma reação complexa, muitos estudos demonstraram bons resultados usando uma ampla variedade de eletrocatalisadores9,10,11,12,13,14. O principal objetivo desses estudos é, eventualmente, escalar esse processo de forma que ele possa competir com os métodos de produção de energia existentes. A tomada de decisões destinadas a minimizar os custos de capital e de funcionamento são, portanto, considerações essenciais. Com relação a este último, converter CO2 diretamente em hidrocarbonetos superiores (C2+) usando cobre (Cu), o catalisador de escolha, é uma tarefa desafiadora. Nomeadamente porque o Cu não é seletivo e produz uma variedade de hidrocarbonetos com fracas eficiências farádicas (FE)15. Do ponto de vista industrial, é preferível produzir um único produto com alto FE do que muitos com baixo FE, pois isso pouparia custos de separação. Outro desafio é que, ao converter CO2 diretamente em CH4, enfrentamos altos sobrepotenciais, que podem ser uma fonte significativa de ineficiência16. Modelos tecnoeconômicos sugerem que uma via indireta para a produção de hidrocarbonetos via monóxido de carbono (CO) pode ser mais prática à luz da viabilidade comercial17,18,19. Além disso, processos industriais bem estabelecidos, como Fischer-Tropsch, utilizam matéria-prima direta baseada em CO20. Assim, o CO como produto do CO2RR em muitos aspectos é mais favorável do que os hidrocarbonetos.

Do outro lado da equação, materiais catalisadores baratos e abundantes também devem ser considerados para minimizar os custos de capital. Os melhores catalisadores de desempenho consistente para a produção de CO são Pd, Au e Ag11,21,22. No entanto, projetar um catalisador apenas de metais nobres não é econômico. O latão, por outro lado, é amplamente disponível, barato e não possui preocupações ambientais. Muitos estudos demonstraram resultados promissores com o latão como eletrocatalisador para CO2RR12,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Um eletrocatalisador derivado de estrutura metal-orgânica (MOF) com centros bimetálicos de Cu e Zn gerou CO com 88% FE. A molécula de ftalocianina facilitou o sinergismo entre os centros CuN4 e ZnO4 para produzir CO em alta taxa32. Em outro estudo, nanopartículas de latão oxidadas suportadas em nanotubos de carbono (CNT) foram sintetizadas usando um método de calcinação em várias etapas. Eles relataram ≈ 50% FE para CO e ≈ 90% FE para gás de síntese33. Apesar do desempenho promissor das nanopartículas à base de latão, seu dimensionamento pode ser desafiador e caro devido à exigência de produtos químicos especializados e técnicas de síntese precisas. Portanto, as nanopartículas nem sempre são as mais práticas do ponto de vista industrial34,35. Consequentemente, nanoespumas e estruturas foram produzidas diretamente de folhas metálicas5,26,27. Stojkovikj et ai. nanoespuma de bronze preparada via processamento de alto potencial. A estrutura consistia em dendritos que aumentavam substancialmente a rugosidade da superfície, resultando em uma melhoria no CO FE de 35–40% para ≈ 85%36. No entanto, a produção de nanoespuma requer densidades de corrente extremamente altas, o que é um fardo de custo, especialmente em escala industrial37,38. Para tanto, a utilização direta de sucatas metálicas sem a necessidade de processamentos dispendiosos parece ser a alternativa mais econômica e ambientalmente sustentável. Além disso, apesar da alta atividade relatada de diferentes eletrocatalisadores baseados em Cu-Zn em CO2RR, o efeito da liga deles com outro metal no desempenho de redução de CO2 ainda é inexistente39.