Selectividad en la generación de hidrocarburos durante la electrorreducción de CO2 sobre nanopartículas de óxido de cobre

Autor: Pablo Merino, Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC)

Los métodos físicos de síntesis de nanopartículas para la fabricación de nanocatalizadores permiten mejorar la eficiencia de los procesos de captura de carbono para una descarbonización más eficiente de la atmosfera. En particular, la reacción de reducción de CO2 (CO2RR) para formar hidrocarburos con alto valor añadido es una de las líneas más prometedoras que se está siguiendo en los últimos años. Siguiendo esta tendencia, en este trabajo se ha usado una fuente de agregación de gas por pulverización catódica (SGAS, de sus siglas en inglés) y un aparato tipo fuente múltiple de agregación de iones (MICS) para la síntesis controlada de nanopartículas (NP) de óxido de cobre (CuOx). Se han depositado NPs de CuOx de diferentes estequiometrias sobre electrodos de difusión de gas y se han hecho reaccionar con CO2 mientras se monitorea en tiempo real los productos formados. Al variar la carga de NPs se puede controlar el equilibrio entre la metanación y la formación de compuestos multicarbono. Se obtienen densidades de corriente parciales pico de metano de −143 mA cm–2 (actividad de masa de 7,2 kA/g) con un Faradaic eficiencia (FE) del 48 % y densidades de corriente parcial multicarbono de −231 mA cm–2 al 76 % FE (FEC2H4 = 56 %). Estas corrientes están entre las mayores reportadas a día de hoy en la literatura de CO2RR y demuestran el valor añadido de las NPs sintetizadas por SGAS en comparación con otros métodos. Usando microscopía de fuerza atómica, microscopía electrónica y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X, se ha estudiado el efecto de la morfología de la película NP en la selectividad hacia la generación de distintos hidrocarburos.  Se ha observado que tanto del tamaño de la NP (3–15 nm) como el estado de oxidación no tienen gran relevancia en los productos. Por el contrario, se ha comprobado que la combinación de la tasa de flujo de O2 en la zona de agregación durante el crecimiento de las NPs y el tiempo total de deposición de NP sobre los electrodos tienen una gran influencia. Estos parámetros dan lugar a la formación de redes de NP de CuOx densamente empaquetadas tridimensionales muy rugosas que afectan el mecanismo de gobierno CO2RR. Este estudio destaca el potencial que tienen las películas de NP generadas por SGAS para la futura optimización y ampliación de catalizadores de CO2RR con propiedades ajustables.

Figura 1. (a) Ilustración del generador de NPs deCuOx, MICS y selección de resultados. (b1) Fotografía de una película de CuOx NP depositada en un electrodo, (b2) imagen SEM de electrones retrodispersados de grupos de CuOx NP. (b3) Imagen SEM de CuOx NP que muestra agregados, carga de masa. (b4) Imagen SEM de una película densa de CuOx NP. Análisis XPS (c) Cu 2p y (d) espectros Auger Cu LMM de películas NP preparadas con diferentes concentraciones de O2, lo que produce (e) electrodos CuNPF, Cu2ONPF y CuONPF, respectivamente.

Contacto

Pablo Merino, Investigador del grupo ESISNA del programa FotoArt-CM.

Coordina FotoArt-CM: Víctor A. de la Peña O´Shea, Instituto IMDEA Energía.

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  1. Figura 1. (a) Ilustración del generador de NPs deCuOx, MICS y selección de resultados. (b1) Fotografía de una película de CuOx NP depositada en un electrodo, (b2) imagen SEM de electrones retrodispersados de grupos de CuOx NP. (b3) Imagen SEM de CuOx NP que muestra agregados, carga de masa. (b4) Imagen SEM de una película densa de CuOx NP. Análisis XPS (c) Cu 2p y (d) espectros Auger Cu LMM de películas NP preparadas con diferentes concentraciones de O2, lo que produce (e) electrodos CuNPF, Cu2ONPF y CuONPF, respectivamente.

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