Optimization of B-doped Cu oxide catalyst for the electrochemical CO2 reduction

Il modo in cui attualmente produciamo e consumiamo energia è insostenibile. Considerando la continua crescita economica e la popolazione mondiale in aumento, è necessario un approccio più sano. In uno scenario ideale, la CO2 prodotta sulla Terra dovrebbe essere bilanciata con ciò che viene consumato, ma sfortunatamente, questo equilibrio è stato gradualmente interrotto. Pertanto, risulta necessario ridurre le emissioni di CO2 e convertirle in prodotti utili. Alcuni degli approcci studiati includono il miglioramento dell'efficienza energetica, l'aumento dell'uso di combustibili a basse emissioni di carbonio, lo sviluppo di energie rinnovabili e l'adozione di tecnologie di cattura e stoccaggio (CCS) e cattura e utilizzo della CO2 (CCU). Tra tutti i tentativi di riciclo dell'anidride carbonica, la riduzione elettrochimica della CO2 (EC CO2R) ha recentemente attirato l'attenzione come soluzione futura, per l'opportunità di integrare fonti di energia elettrica rinnovabili e le miti condizioni di funzionamento dell'elettrolizzatore. Diversi catalizzatori sono stati studiati negli ultimi decenni per ridurre la barriera energetica di attivazione per convertire l'anidride carbonica nei prodotti desiderati mediante processi elettrocatalitici. L’attività e la selettività possono essere modulate cambiando la struttura del catalizzatore, le strategie più efficaci per migliorare le prestazioni includono nanostructuring, alloying, core-shell structuring and heteroatom-doping. I materiali a base rame (Cu) sono tra i più promettenti perché mostrano un'attività relativamente bassa verso la reazione di evoluzione dell'idrogeno mentre presentano un'attività catalitica intrinseca unica per la CO2R con una varietà di prodotti. Cosa più importante, il Cu è l'unico metallo che riduce la CO2 a prodotti che richiedono più di due trasferimenti di elettroni. I prodotti ridotti possono essere sia gassosi come (es. CH4, C2H4, CO, H2) sia prodotti in fase liquida (es. etanolo, n-propanolo, formiato, glicole etilenico e acetato). Per aumentare la selettività della CO2 verso prodotti C2+ e restringere la distribuzione di prodotti dei catalizzatori a base rame, il doping con boro è una strategia promettente che consente di regolare la struttura elettronica e la composizione dei supporti. In questo lavoro, catalizzatori a base Cu dopati con boro sono stati sintetizzati mediante la tecnica di co-precipitazione assistita da ultrasuoni. L'obiettivo è quello di studiare il modo più efficace per eseguire il doping del boro valutando tre diverse procedure e gli effetti diretti sulla distribuzione dei prodotti finali della EC CO2R. Ciò che distingue ogni sintesi è il modo di introdurre il boro nella miscela di reazione. L'analisi XRD ha rivelato che una quantità crescente di boro ha comportato una graduale diminuzione delle dimensioni dei cristalliti, mentre le superfici BET sono aumentate con l'aumento del contenuto di B; ciò ha suggerito che il boro contribuisca ad aumentare la dispersione dei siti attivi di rame. Inoltre, i test elettrochimici hanno dimostrato una buona stabilità dei campioni analizzati per 2 ore e, cosa più interessante, hanno rivelato che l'ampiezza dei pori gioca un ruolo chiave nel meccanismo di reazione. Infatti, nonostante la quantità di boro, solo il campione di B-CuO-CP_2.4%, quello con la dimensione dei pori più piccola, ha mostrato una buona selettività per il 2-propanolo, un prodotto altamente desiderato.