6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
3.3.3. Đặc tính xúc tác khử CO2
Khả năng xúc tác khử điện hóa CO2 của các hệ vật liệu 60Cu/ITO, 120Cu/ITO, 240Cu/ITO và 480Cu/ITO được khảo sát bằng phương pháp LSV trong dung dịch 0.1 M K2CO3 bão hòa CO2 (Hình 3.14A). So sánh với đường màu đen (mô tả quá trình khử CO2 của điện cực ITO) mật độ dòng hiệu dụng của tất cả các hệ vật liệu Cu/ITO đều cao hơn rất nhiều, trong đó hệ vật liệu
vật liệu 240Cu/ITO thể hiện tính xúc tác cao nhất so với các hệ vật liệu còn lại. Kết quả này có thể được giải thích là do mật độ các hạt nano Cu khối lập phương trong hệ vật liệu này chiếm ưu thế, do dó góp phần làm tăng khả năng xúc tác khử CO2. Để xác định hiệu suất khử CO2 của hệ vật liệu Cu/ITO, chúng tôi đã so sánh mật độ dòng hiệu dụng của hệ vật liệu 240Cu/ITO đo bằng phương pháp LSV trong dung dịch 0.1 M K2CO3 bão hòa N2 và CO2 (Hình 3.14B). Phương pháp so sánh này dựa trên giả định như sau: Dòng đo được trong điều kiện N2 bão hòa được gây ra chủ yếu bởi quá trình hydro bay hơi (HER), trong khi đó dòng đo được từ dung dịch chứa CO2 bão hòa sẽ là tổng của hai quá trình bao gồm HER và khử điện hóa CO2. Vì vậy, sự sai khác về giá trị dòng của hai phép đo được quy cho là dòng được sinh ra do quá trình khử điện hóa CO2. Từ đó, hiệu suất của quá trình khử điện hóa CO2 được tính theo công thức:
𝐻% = (𝐽𝐶𝑂2−𝐽𝑁2
𝐽𝐶𝑂2 ) × 100 (3)
Từ đó, hiệu suất khử CO2 của hệ vật liệu theo thế điện cực được tổng hợp bằng hình chèn trong Hình 3.14B. Theo đó, hiệu suất khử CO2 cao nhất có giá trị là 85% được xác định tại thế E = - 0.5 V với Ag/AgCl.
Hình 3.14. (A) So sánh khả năng xúc tác khử CO2 của các hệ vật liệu 60Cu/ITO, 120Cu/ITO, 240Cu/ITO và 480Cu/ITO; (B) LSV của hệ vật liệu 240Cu/ITO trong
dung dịch 0.1M K2CO3 bão hòa N2 (đường màu đen) và bão hào CO2 (đường màu
KẾT LUẬN
1. Đã chế tạo thành công hệ vật liệu nano HOPG – Cu, hạt nano Cu khối lập phương và ITO – Cu bằng phương pháp lắng đọng điện hóa từ pha dung dịch chứa các ion Cu2+.
2. Tính chất điện hóa, cấu trúc tinh thể và hình thái học bề mặt của hệ vật liệu nano HOPG – Cu, ITO – Cu được khảo sát bằng phương pháp CV, AFM và SEM, trong đó:
a) Hệ vật liệu nano đồng lắng động trên điện cực HOPG có cấu hình dạng hoa (nanoflower);
b) Hệ vật liệu nano đồng hình thành trên Cu foil có cấu hình dạng khối (hạt nano Cu khối lập phương);
c) Hệ vật liệu nano đồng lắng động trên điện cực ITO có cấu trúc đa tinh thể bao gồm dạng khối (nanocuboid) và dạng nhánh cây (dendritics).
3. Đã bước đầu khảo sát, đánh giá được khả năng xúc tác khử CO2 của nano HOPG – Cu và ITO – Cu bằng phương pháp quét thế tuyến tính (LSV). Kết quả thu được cho thấy hệ vật liệu này có hoạt tính xúc tác đối với quá trình khử CO2, trong đó, hệ vật liệu Cu/ITO được lắng đọng với thời gian 240s có hiệu suất xúc tác tốt nhất đạt 85% tại vùng thế E = - 0.5V với Ag/AgCl.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Aresta, M., Dibenedetto, A. and Angelini, A., (2014). "Catalysis for the valorization of exhaust carbon: from CO2 to chemicals, materials, and fuels. Technological use of CO2." Chemical reviews, 114(3), pp.1709-1742.
[2]. Gao, S., Lin, Y., Jiao, X., Sun, Y., Luo, Q., Zhang, W., Li, D., Yang, J. and Xie, Y., (2016), "Partially oxidized atomic cobalt layers for carbon dioxide electroreduction to liquid fuel." Nature 529(7584), 68-71.
[3]. Long, C., Li, X., Guo, J., Shi, Y., Liu, S. & Tang, Z., (2019). “Electrochemical reduction of CO2 over heterogeneous catalysts in aqueous solution: recent progress and perspectives”. Small Methods, 3(3), p.1800369.
[4]. Hori, Y., Kikuchi, K., & Suzuki, S. (1985). “Production of CO and CH4 in electrochemical reduction of CO2 at metal electrodes in aqueous hydrogencarbonate solution”. Chemistry Letters, 14(11), 1695-1698.
[5]. Zhu, Q., Sun, X., Yang, D., Ma, J., Kang, X., Zheng, L., Zhang, J., Wu, Z. and Han, B., (2019). “Carbon dioxide electroreduction to C2 products over copper-cuprous oxide derived from electrosynthesized copper complex”. Nature communications, 10(1), pp.1-11.
[6]. Li, J., Kuang, Y., Meng, Y., Tian, X., Hung, W.H., Zhang, X., Li, A., Xu, M., Zhou, W., Ku, C.S. & Chiang, C.Y., (2020). “Electroreduction of CO2 to formate on a copper-based electrocatalyst at high pressures with high energy conversion efficiency”. Journal of the American Chemical Society, 142(16), pp.7276-7282.
[7]. Jiménez, C., Cerrillo, M.I., Martínez, F., Camarillo, R. and Rincón, J., (2020). “Effect of carbon support on the catalytic activity of copper-based catalyst in CO2 electroreduction”. Separation and Purification Technology, 248, p.117083.
[8]. Ting, L.R.L., Piqué, O., Lim, S.Y., Tanhaei, M., Calle-Vallejo, F. and Yeo, B.S., (2020). “Enhancing CO2 electroreduction to ethanol on copper–silver composites by opening an alternative catalytic pathway”. ACS Catalysis, 10(7), pp.4059-4069.
[9]. Kim, D., Kley, C.S., Li, Y. and Yang, P., (2017). “Copper nanoparticle ensembles for selective electroreduction of CO2 to C2–C3 products”. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(40), pp.10560-10565.
[10]. Kuhl, K.P., Cave, E.R., Abram, D.N. and Jaramillo, T.F., (2012). “New insights into the electrochemical reduction of carbon dioxide on metallic copper surfaces”. Energy & Environmental Science, 5(5), pp.7050-7059.
[11]. Kas, R., Kortlever, R., Yilmaz, H., Koper, M.T. and Mul, G., (2015). “Manipulating the hydrocarbon selectivity of copper nanoparticles in CO2 electroreduction by process conditions”. ChemElectroChem, 2(3), pp.354-358. [12]. Dutta, A., Rahaman, M., Luedi, N.C., Mohos, M. and Broekmann, P., (2016). “Morphology matters: tuning the product distribution of CO2 electroreduction on oxide-derived Cu foam catalysts”. ACS Catalysis, 6(6), pp.3804-3814.
[13]. Yang, K.D., Ko, W.R., Lee, J.H., Kim, S.J., Lee, H., Lee, M.H. and Nam, K.T., (2017). “Morphology‐directed selective production of ethylene or ethane from CO2 on a Cu mesopore electrode”. Angewandte Chemie, 129(3), pp.814- 818.
[14]. Ma, M., Djanashvili, K. and Smith, W.A., (2016). “Controllable hydrocarbon formation from the electrochemical reduction of CO2 over Cu nanowire arrays”. Angewandte chemie international edition, 55(23), pp.6680- 6684.
[15]. da Silva, A.H., Raaijman, S.J., Santana, C.S., Assaf, J.M., Gomes, J.F. and Koper, M.T., (2021). “Electrocatalytic CO2 reduction to C2+ products on Cu and CuxZny electrodes: Effects of chemical composition and surface morphology”. Journal of Electroanalytical Chemistry, 880, p.114750.
[16]. Bernal, M., Bagger, A., Scholten, F., Sinev, I., Bergmann, A., Ahmadi, M., Rossmeisl, J. and Cuenya, B.R., (2018). “CO2 electroreduction on copper- cobalt nanoparticles: Size and composition effect”. Nano Energy, 53, pp.27-36. [17]. Birhanu, M.K., Tsai, M.C., Kahsay, A.W., Chen, C.T., Zeleke, T.S., Ibrahim, K.B., Huang, C.J., Su, W.N. and Hwang, B.J., (2018). “Copper and
Copper‐Based Bimetallic Catalysts for Carbon Dioxide
Electroreduction". Advanced Materials Interfaces, 5(24), p.1800919.
[18]. He, J. and Janaky, C., (2020). “Recent advances in solar-driven carbon dioxide conversion: expectations versus reality”. ACS energy letters, 5(6), pp.1996-2014.
[19]. Jacobson, T.A., Kler, J.S., Hernke, M.T., Braun, R.K., Meyer, K.C. and Funk, W.E., (2019). “Direct human health risks of increased atmospheric carbon dioxide”. Nature Sustainability, 2(8), pp.691-701.
[20]. De Luna, P., Hahn, C., Higgins, D., Jaffer, S.A., Jaramillo, T.F. and Sargent, E.H., (2019). “What would it take for renewably powered electrosynthesis to displace petrochemical processes?”. Science, 364(6438).
[21]. Villadsen, S.N., Fosbøl, P.L., Angelidaki, I., Woodley, J.M., Nielsen, L.P. and Møller, P., (2019). “The potential of biogas; the solution to energy storage”. ChemSusChem, 12(10), pp.2147-2153.
[22]. D'Alessandro, D.M., Smit, B. and Long, J.R., (2010). “Carbon dioxide capture: prospects for new materials”. Angewandte Chemie International Edition, 49(35), pp.6058-6082.
[23]. Leung, D.Y., Caramanna, G. and Maroto-Valer, M.M., (2014). “An overview of current status of carbon dioxide capture and storage technologies”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 39, pp.426-443. [24]. Johnsson, F., (2011). “Perspectives on CO2 capture and storage”. Greenhouse Gases: Science and Technology, 1(2), pp.119-133. [25]. Ran, J., Jaroniec, M. and Qiao, S.Z., (2018). “Cocatalysts in semiconductor‐based photocatalytic CO2 reduction: achievements, challenges, and opportunities”. Advanced materials, 30(7), p.1704649.
[26]. Zhang, X., Guo, S.X., Gandionco, K.A., Bond, A.M. and Zhang, J., (2020). “Electrocatalytic carbon dioxide reduction: from fundamental principles to catalyst design”. Materials Today Advances, 7, p.100074.
[27]. Pei, Y., Zhong, H. and Jin, F., (2021). “A brief review of electrocatalytic reduction of CO2—Materials, reaction conditions, and devices”. Energy Science & Engineering, 9(7), pp.1012-1032.
[28]. Göttle, A.J. and Koper, M.T., (2017). “Proton-coupled electron transfer in the electrocatalysis of CO 2 reduction: prediction of sequential vs. concerted pathways using DFT”. Chemical science, 8(1), pp.458-465.
[29]. Zhu, D.D., Liu, J.L. and Qiao, S.Z., (2016). “Recent advances in inorganic heterogeneous electrocatalysts for reduction of carbon dioxide”. Advanced materials, 28(18), pp.3423-3452.
[30]. Lim, R.J., Xie, M., Sk, M.A., Lee, J.M., Fisher, A., Wang, X. and Lim, K.H., (2014). “A review on the electrochemical reduction of CO2 in fuel cells, metal electrodes and molecular catalysts”. Catalysis Today, 233, pp.169-180.
[31]. Lim, H.K. and Kim, H., (2017). “The mechanism of room-temperature
ionic-liquid-based electrochemical CO2 reduction: a
[32]. Roduner, E., (2014). “Understanding catalysis”. Chemical Society Reviews, 43(24), pp.8226-8239.
[33]. Andricacos, P.C., Uzoh, C., Dukovic, J.O., Horkans, J. and Deligianni, H., (1998), "Damascene copper electroplating for chip interconnections." IBM
Journal of Research and Development, 42(5), pp.567-574.
[34]. Edelstein, D., Heidenreich, J., Goldblatt, R., Cote, W., Uzoh, C., Lustig, N., Roper, P., McDevitt, T., Motsiff, W., Simon, A. and Dukovic, J., (1997), "Full copper wiring in a sub-0.25/spl mu/m CMOS ULSI technology."
In International Electron Devices Meeting. IEDM Technical Digest, pp. 773-
776. IEEE.
[35]. Vereecken, P.M., Binstead, R.A., Deligianni, H. and Andricacos, P.C., (2005), "The chemistry of additives in damascene copper plating." IBM
Journal of Research and Development, 49(1), pp.3-18.
[36]. Hori, Y. I. (2008), "Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes." Modern aspects of electrochemistry. Springer, New York, NY, pp.89-189.
[37]. Huan, T.N., Simon, P., Rousse, G., Génois, I., Artero, V. and Fontecave, M., (2017), "Porous dendritic copper: an electrocatalyst for highly selective CO2 reduction to formate in water/ionic liquid electrolyte." Chemical science, 8(1), pp.742-747.
[38]. Rahaman, M., Dutta, A., Zanetti, A. and Broekmann, P., (2017), "Electrochemical reduction of CO2 into multicarbon alcohols on activated Cu mesh catalysts: an identical location (IL) study." ACS Catalysis, 7(11), pp.7946-7956.
[39]. Hori, Y., Murata, A. and Takahashi, R., (1989). "Formation of hydrocarbons in the electrochemical reduction of carbon dioxide at a copper electrode in aqueous solution." Journal of the Chemical Society, Faraday
Transactions 1: Physical Chemistry in Condensed Phases, 85(8), pp.2309- 2326.
[40]. Kas, R., Kortlever, R., Yılmaz, H., Koper, M.T. and Mul, G., (2015), "Manipulating the hydrocarbon selectivity of copper nanoparticles in CO2 electroreduction by process conditions." ChemElectroChem, 2(3), pp.354-358.
[41]. Varela, A.S., Kroschel, M., Reier, T. and Strasser, P., (2016), "Controlling the selectivity of CO2 electroreduction on copper: The effect of the electrolyte concentration and the importance of the local pH." Catalysis Today, 260, pp.8- 13.
[42]. Singh, M.R., Kwon, Y., Lum, Y., Ager III, J.W. and Bell, A.T., (2016), "Hydrolysis of electrolyte cations enhances the electrochemical reduction of CO2 over Ag and Cu." Journal of the American Chemical Society, 138(39), pp.13006-13012.
[43]. Pérez-Gallent, E., Marcandalli, G., Figueiredo, M.C., Calle-Vallejo, F. and Koper, M.T., (2017), "Structure-and potential-dependent cation effects on CO reduction at copper single-crystal electrodes." Journal of the American
Chemical Society, 139(45), pp.16412-16419.
[44]. Tang, W., Peterson, A.A., Varela, A.S., Jovanov, Z.P., Bech, L., Durand, W.J., Dahl, S., Nørskov, J.K. and Chorkendorff, I., (2012), "The importance of surface morphology in controlling the selectivity of polycrystalline copper for CO2 electroreduction." Physical Chemistry Chemical Physics, 14(1), pp.76- 81.
[45]. Siltamaki, D. (2019). Nanomaterials Design for the Efficient
Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide (Doctoral dissertation).
[46]. Randles, J.E., (1948). "A cathode ray polarograph. Part II.-The current- voltage curves." Transactions of the Faraday Society, 44, pp.327-338.