ИСТИНА

Реализация селективного электрокатализа восстановления диоксида углерода

The urgency of ‘deep’ carbon dioxide reduction follows from technological demand of selective production of 2- and multi-carbon molecules from carbon dioxide. Corresponding interrelated research directions consist in the search for selective electrocatalysts and in understanding of complex multistep mechanism of carbon dioxide electrocatalysis. Kinetic studies of carbon dioxide electroreduction contribute to more general understanding of cathodic electrocatalysis accompanied by hydrogen evolution. Scientific urgency consists in consolidation of dispersed directions related to cathodic electrocatalysis in frames of unified consideration of reaction layers at negative electrode charges when cations adsorption at the interface predominates. The involvement of well-characterized catalysts is expected to play a key role in this consolidation. The novelty in respect to ‘deep’ carbon dioxide reduction consists in application of classical experimental techniques and approaches missed in this research area, which can be realized only for highly dispersed catalysts. We plan to design copper and copper-containing materials with much higher roughness than for the foams typically used for carbon dioxide reduction (usual roughness factor for the foams does not exceed several dozens). The reliable techniques to determine the real surface area in electrolyte solution should be worked out and adopted. Thorough material characterization presents an important part of the project, including the analysis of surface crystallography, intergrain boundaries, and material defectiveness. The controllable electrochemical dispersion of copper and copper alloys is possible by means of either electrodeposition, or reduction of electrodeposited oxides. The project team has experience of electrochemical fabrication of dispersed, as well as of electrocatalytic research with high-surface-area electrodeposited electrocatalysts. The project assumes that applied electrochemical techniques should be as informative as possible in respect to characterization of the catalyst/bicarbonate solution interface (reaction layer) and the kinetics of carbon dioxide reduction, including voltammetric/coulometric techniques, comparative experiments in non-carbonate buffer solutions, and preparative electrolysis with chromatographic analysis of the products.

По итогам первого года проекта предполагается получить следующие результаты: - выявление влияния параметров режима осаждения металла и оксидов, а также параметров восстановления оксидов на морфологические характеристики материалов из металлической меди, - выбор оптимальной методики приготовления стабильной высокодисперсной меди, - конкретизация методики электрохимической характеристики адсорбатов при потенциалах, предшествующих началу восстановления диоксида углерода, - общая характеристика интервалов потенциалов, характеризующихся разным составом продуктов восстановления диоксида углерода и/или разными особенностями обнаруженных адсорбатов, - разработка методики исследования адсорбатов с отмывкой/переносом. По итогам второго года проекта предполагается выявление перспективности подхода, основанного на сплавообразовании, для достижения более глубокого и/или селективного восстановления диоксида углерода , по итогам третьего года - выявление перспектив подхода, основанного на введении добавок в растворы, достижения более «глубокого» и/или селективного восстановления диоксида углерода. Эти ожидаемые результаты будут детализированы с учетом результатов первого года проекта. Результаты проекта будут обладать как методической, так и научной новизной в части создания оригинальных высокодисперсных медных катализаторов, выявления природы адсорбированных интермедиатов электрохимическими методами и получения информации о продуктах восстановления диоксида углерода в малоисследованной кинетической области. Результаты, публикуемые в ведущих электрохимических журналах, будут конкурентоспособны на международном уровне. Перспективы технологических результатов безусловно существуют, но потребуют ряда исследований вне рамок проекта в контакте с индустрией.

Коллектив проекта сформирован из представителей трех научных групп: кафедры электрохимии МГУ (МГУ), Института электрохимии и физической химии РАН (ИФХЭ) и Института кристаллографии РАН (ИК). Задел группы МГУ включает опыт разнообразных электрокаталитических исследований на дисперсных электродных материалах, а также опыт управляемого электроосаждения дисперсных металлов и оксидов. Акценты в электрокаталитических исследованиях в значительной степени относились к электроосажденным электрокатализаторам на основе металлов группы платины. Установлено влияние потенциала осаждения на микроструктуру и дефектность осадков, играющих ключевую роль в катализе. Большое внимание уделялось электрохимической характеристике поверхностей таких катализаторов. Выполнялись работы по электрокатализу сложных стадийных реакций (восстановление кислорода, окисление и восстановление пероксида водорода). Работы по электроосаждению включали осаждение металлов и оксидов для разных приложений. Задел группы ИК включает опыт растровой электронной микроскопии, ионной сканирующей микроскопии, а также локального рентгеноспектрального анализа (ЛРСА), в сочетании с опытом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с ЛРСА. Методические возможности группы включают изготовление тонких срезов для исследования методами ПЭМ. Продемонстрированы возможности указанных прецизионных методов электронной микроскопии для исследования состава, структуры и морфологии на примерах разнообразных функциональных материалов. Задел группы ИФХЭ состоит в исследованиях электрохимического восстановления CO2 в водных растворах и в растворах на основе органических растворителей и ионных жидкостей. Полученные результаты позволили интерпретировать сокаталитический эффект ионных жидкостей в реакции восстановления СО2. Также были получены данные по корреляции морфологии катализаторов и активности в отношении электрохимической конверсии СО2.