Mengkatalisasi Green Innovation

Read Also

Penelitian kinetika kimia baru menjanjikan penutupan lingkaran karbon saat memanen bahan kimia dan bahan bakar.

Untuk membatasi peningkatan suhu global hingga 1,5°C pada tahun 2050, para ilmuwan di seluruh dunia bergegas untuk menemukan solusi dekarbonisasi yang efektif. China berpotensi memimpin perlombaan melalui elektrolisis karbon dioksida, menurut Jinlong Gong, seorang profesor teknik kimia di Universitas Tianjin.

“Tujuan kami adalah untuk memungkinkan pengurangan CO2 elektrokimia skala industri, yang melibatkan penangkapan CO2 dan, dengan energi terbarukan, menggabungkannya dengan air untuk menghasilkan produk berbasis karbon yang berguna seperti syngas, ethylene dan ethanol,” kata Gong.

Namun, beberapa hal terbesar yang tidak diketahui tentang elektrolisis karbon dioksida terletak pada mekanisme dasarnya. Meneliti "setiap kerangka pembekuan" secara rinci, tim Gong sedang memeriksa bagaimana urutan reaksi dasar dapat memicu perubahan pada kecepatan dan hasil dalam reaksi katalitik yang kompleks.

“Selama lima tahun terakhir, kami telah fokus pada jalur reaksi dan situs katalitik, dan melalui pemodelan teoretis dan analisis eksperimental, meningkatkan desain katalis menuju komersialisasi,” katanya.

Salah satu penghalang utama adalah rate-determining step (RDS), langkah paling lambat dalam reaksi kimia yang membatasi kecepatan keseluruhan proses reduksi. Dengan menganalisis RDS katalis yang berbeda, tim telah menemukan bahwa adsorpsi CO2 ke permukaan katalis logam transisi mengatur laju reaksi keseluruhan. Studi mereka diterbitkan di Nature Communications pada awal 2022.

Ini menyoroti peningkatan katalis yang lebih bertarget, seperti modifikasi permukaannya, serta mengendalikan tekanan CO2 pada permukaan dan medan listrik antarmuka.

Mereka juga mempelajari struktur atom situs aktif dalam sistem katalitik berbasis tembaga untuk memahami sifat situs. Dengan menganalisis lebih dari 2.000 situs permukaan melalui perhitungan throughput tinggi, mereka telah mengidentifikasi dua jenis situs aktif situs Cu−Zn seimbang dan situs Cu−Zn berat Zn untuk desain katalis

Eksperimen komputasi dan langsung penting untuk mengumpulkan dan memvalidasi data. Seperti yang dijelaskan Gong, katalis tembaga ini adalah satu-satunya jenis katalis berbasis logam yang memungkinkan produksi produk multi-karbon, yang dikenal sebagai senyawa C2+, tetapi tembaga mudah teroksidasi.

Upaya untuk memahami fenomena ini melalui eksperimen termodinamika sulit, karena perubahan fisik pada katalis "terlalu mikroskopis dan sulit untuk diidentifikasi secara eksperimental", dan terjadi terlalu cepat untuk ditangkap dengan mikroskop elektron tradisional.

Untuk mengatasi hal ini, Gong dan timnya menggunakan jaringan saraf tiruan — satu set algoritma yang dimodelkan pada otak manusia — untuk membantu mereka mensimulasikan dan menganalisis permukaan katalis yang jauh lebih besar, dan pada resolusi yang jauh lebih tinggi, untuk memahami perubahan fisik.

“Kami juga telah mengumpulkan data komputer RDS untuk berbagai jenis reaksi dan katalis di luar tembaga, termasuk emas, perak, timah, dan indium, yang kemudian telah diverifikasi secara eksperimental,” tambahnya.

Gong menjelaskan bahwa pemahaman yang lebih besar tentang situs katalitik dan RDS telah menyebabkan penemuan, misalnya, tentang di mana etilen dan etanol dihasilkan, atau untuk meningkatkan desain katalis dengan peningkatan luas permukaan situs aktifnya.

Timnya sekarang bertujuan untuk meningkatkan ukuran elektroda menjadi lebih dari 100 cm², mencapai kerapatan arus di atas 200 mA/cm² tanpa kehilangan selektivitas produk, dan mempertahankan operasi yang stabil selama lebih dari 100 jam.

“Kami juga bekerja untuk mempersiapkan elektrolisis CO₂ pada skala industri dengan mitra bisnis, sambil mengintegrasikan teknik yang diselesaikan dengan waktu untuk mengidentifikasi lebih banyak zat antara reaksi dalam penelitian mendasar kami,” kata Gong.

References

Deng, W., Zhang, P., Seger, B. et al. Nat Commun 13, 803 (2022).

Zhen, S., Zhang, G., et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202201913

Cheng, D., Zhao, Z.-J., et al. Nat. Commun. 12, 395 (2021)