KANAZAWA, Japan, 8 juni 2023 /PRNewswire/ — Forskare vid Kanazawa University rapporterar hur ett ultratunt lager av tenndisulfid kan användas för att påskynda den kemiska reduktionen av koldioxid för ett koldioxidneutralt samhälle.
Återvinning av koldioxid (CO2) som släpps ut från industriella processer är en nödvändighet i mänsklighetens brådskande strävan efter ett hållbart, koldioxidneutralt samhälle. Av denna anledning studeras för närvarande elektrokatalysatorer som effektivt kan omvandla CO2 till andra mindre skadliga kemiska produkter i stor utsträckning. En klass av material som kallas tvådimensionella (2D) metalldikalkogenider är kandidater som elektrokatalysatorer för CO-omvandling, men dessa material främjar ofta också konkurrerande reaktioner, vilket minskar deras effektivitet. Yasufumi Takahashi och kollegor vid Kanazawa Universitys Nanobiology Science Institute (WPI-NanoLSI) har identifierat en tvådimensionell metalldikalkogenid som effektivt kan reducera CO2 till myrsyra, inte bara av naturligt ursprung. Dessutom är denna koppling en mellanliggande länk, en produkt i kemisk syntes.
Takahashi och kollegor jämförde den katalytiska aktiviteten hos tvådimensionell disulfid (MoS2) och tenndisulfid (SnS2). Båda är tvådimensionella metalldikalkogenider, den senare är av särskilt intresse eftersom rent tenn är känt för att vara en katalysator för produktion av myrsyra. Elektrokemisk testning av dessa föreningar visade att väteutvecklingsreaktionen (HER) accelereras med hjälp av MoS2 istället för CO2-omvandling. HER hänvisar till en reaktion som producerar väte, vilket är användbart när man avser att producera vätgasbränsle, men i fallet med CO2-reduktion är det en oönskad konkurrerande process. Å andra sidan visade SnS2 god CO2-reducerande aktivitet och hämmade HER. Forskarna gjorde också elektrokemiska mätningar av bulk-SnS2-pulver och fann att det var mindre aktivt vid katalytisk reduktion av CO2.
För att förstå var de katalytiskt aktiva platserna finns i SnS2 och varför ett 2D-material presterar bättre än en bulkförening, använde forskarna en teknik som kallas svepcellselektrokemisk mikroskopi (SECCM). SECCM används som en nanopipett och bildar en nanoskalig meniskformad elektrokemisk cell för prober som är känsliga för ytreaktioner på prover. Mätningarna visade att hela ytan av SnS2-arket var katalytiskt aktiv, inte bara "plattforms-" eller "kantelementen" i strukturen. Detta förklarar också varför 2D SnS2 har högre aktivitet jämfört med bulk-SnS2.
Beräkningar ger ytterligare insikt i de kemiska reaktioner som sker. I synnerhet har bildandet av myrsyra identifierats som en energetiskt gynnsam reaktionsväg när 2D SnS2 används som katalysator.
Takahashis och kollegors resultat markerar ett viktigt steg mot användningen av tvådimensionella elektrokatalysatorer i elektrokemiska tillämpningar för CO2-reduktion. Forskarna citerar: ”Dessa resultat kommer att ge en bättre förståelse och utveckling av en tvådimensionell elektrokatalysstrategi med metalldikalkogenid för elektrokemisk reduktion av koldioxid för att producera kolväten, alkoholer, fettsyror och alkener utan biverkningar.
Tvådimensionella (2D) ark (eller monolager) av metalldikalkogenider är material av MX2-typ där M är en metallatom, såsom molybden (Mo) eller tenn (Sn), och X är en kalkogenatom, såsom svavel (C). Strukturen kan uttryckas som ett lager av X-atomer ovanpå ett lager av M-atomer, vilket i sin tur är beläget på ett lager av X-atomer. Tvådimensionella metalldikalkogenider tillhör en klass av så kallade tvådimensionella material (som även inkluderar grafen), vilket innebär att de är tunnare. 2D-material har ofta andra fysikaliska egenskaper än sina bulkmotsvarigheter (3D).
Tvådimensionella metalldikalkogenider har undersökts med avseende på deras elektrokatalytiska aktivitet i väteutvecklingsreaktionen (HER), en kemisk process som producerar väte. Men nu har Yasufumi Takahashi och kollegor vid University of Kanazawa funnit att den tvådimensionella metalldikalkogeniden SnS2 inte uppvisar HER-katalytisk aktivitet; detta är en extremt viktig egenskap i det strategiska sammanhanget för leden.
Yusuke Kawabe, Yoshikazu Ito, Yuta Hori, Suresh Kukunuri, Fumiya Shiokawa, Tomohiko Nishiuchi, Samuel Chon, Kosuke Katagiri, Zeyu Xi, Chikai Lee, Yasuteru Shigeta och Yasufumi Takahashi. Platta 1T/1H-SnS2 för elektrokemisk överföring av CO2, ACS XX, XXX–XXX (2023).
Titel: Skanningsexperiment med elektrokemisk mikroskopi av celler för att studera den katalytiska aktiviteten hos SnS2-ark för att minska koldioxidutsläpp.
Kanazawa Universitys nanobiologiska institut (NanoLSI) grundades 2017 som en del av programmet för det världsledande internationella forskningscentret MEXT. Målet med programmet är att skapa ett forskningscenter i världsklass. Genom att kombinera den viktigaste kunskapen inom biologisk svepprobmikroskopi etablerar NanoLSI "nanoendoskopiteknik" för direkt avbildning, analys och manipulation av biomolekyler för att få insikt i de mekanismer som styr livsfenomen som sjukdomar.
Som ett ledande allmänbildningsuniversitet vid Japanska havets kust har Kanazawa University gjort stora bidrag till högre utbildning och akademisk forskning i Japan sedan grundandet 1949. Universitetet har tre högskolor och 17 skolor som erbjuder discipliner som medicin, datavetenskap och humaniora.
Universitetet ligger i Kanazawa, en stad känd för sin historia och kultur, vid Japanska havets kust. Sedan feodaltiden (1598-1867) har Kanazawa åtnjutit ett auktoritativt intellektuellt anseende. Kanazawa universitet är uppdelat i två huvudcampus, Kakuma och Takaramachi, och har cirka 10 200 studenter, varav 600 är internationella studenter.
Visa originalinnehåll: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html