Phản ứng giữa CO2 và AgNO3 không trực tiếp tạo ra sản phẩm ổn định ở điều kiện thường. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng bạc (Ag) ở dạng hạt nano (Ag-NPs) có thể được sử dụng làm chất xúc tác hiệu quả cho quá trình chuyển đổi CO2 thành các sản phẩm có giá trị như CO. Bài viết này sẽ tập trung vào vai trò của Ag-NPs trong chuyển đổi CO2, đặc biệt là hiệu suất và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.
Để tổng hợp Ag-NPs, một phương pháp nhiệt được sử dụng. Sau đó, xử lý với tetramethylammonium hydroxide (TMAH) trong 2 giờ để loại bỏ một phần các phối tử tự nhiên trên bề mặt Ag-NPs, đảm bảo hình thành vùng hoạt động xúc tác.
Hình ảnh HR-TEM cho thấy kích thước và hình dạng của Ag-NPs không bị ảnh hưởng đáng kể bởi việc giảm các phối tử tự nhiên. Các vân mạng đặc trưng trong hình ảnh HR-TEM xác nhận rằng tất cả Ag-NPs đều có cấu trúc icosahedron. Cấu trúc icosahedron này có ba loại trục đối xứng cao: hai, ba và năm. Các tinh thể nano icosahedral lập phương tâm mặt (fcc) có vai trò quan trọng trong xúc tác vì bề mặt bên ngoài của chúng được bao bọc bởi các mặt phẳng (111). Để giảm thiểu năng lượng bề mặt, các nhóm amidogen của các phối tử oleylamine được gắn vào các vị trí phối hợp thấp, đặc biệt là tại các vị trí góc. Do đó, tính chọn lọc CO2RR dự kiến sẽ được cải thiện khi gắn các phối tử vào các vị trí góc của các tinh thể nano.
Hiệu suất Chuyển Đổi CO2 thành CO của Ag-NPs
Hoạt tính điện xúc tác và độ ổn định của Ag-NPs đã được nghiên cứu cho phản ứng CO2RR. Trước các phép đo điện hóa, các chất điện xúc tác Ag-NP được oxy hóa để thu được điện cực có nguồn gốc từ oxit để loại bỏ các tạp chất trên bề mặt Ag-NP. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) đã được thực hiện sau khi oxy hóa để quan sát xem phối tử lipid có thay đổi do quá trình tiền oxy hóa hay không.
Kết quả cho thấy chất xúc tác Ag-NP được xử lý TMAH trong 2 giờ cho thấy hiệu suất cao nhất vì một lượng phối tử thích hợp đã được gắn trên bề mặt. Xử lý TMAH trong 2 giờ được dự đoán là điều kiện tối ưu để duy trì hình dạng icosahedral đồng thời tăng số lượng vị trí hoạt động của Ag thông qua việc loại bỏ một lượng phối tử thích hợp. Hiệu suất Faraday của chất xúc tác Ag-NP vượt quá 90% ở điện áp ô 3,4 V, trong khi FECO của chất xúc tác Ag đen giảm xuống 75% ở 3,4 V. Do đó, mật độ dòng điện riêng phần CO của chất xúc tác Ag-NP và Ag đen đã được chuyển đổi ở quá điện thế catot cao. Hơn nữa, mật độ dòng điện riêng phần tối đa của chất xúc tác Ag-NP (Ag-NP = 298,39 mA cm‒2 ở 3,4 V) cao hơn gần 35% so với chất xúc tác Ag đen (221,22 mA cm‒2 ở 3,4 V). Những kết quả này chỉ ra một hiệu ứng bên ngoài của phối tử lipid đối với việc duy trì FECO của chất xúc tác Ag-NP.
Thí nghiệm độ bền lâu dài đã được thực hiện trong các điều kiện đo điện thế theo thời gian ở dòng điện không đổi là 1,5 A để xác nhận tính khả thi của chất xúc tác Ag-NP để chuyển đổi CO2 thành CO bền vững. Điện áp ô của Ag-NPs là ~3,0 V trong 100 giờ và SeCO vẫn ổn định (trên 95% với sự dao động không đáng kể) trong suốt thí nghiệm. Chất xúc tác Ag-NP cho thấy ít dao động hơn, với sự giảm hiệu suất không đáng kể. Bề mặt kỵ nước có nguồn gốc từ lipid-ligand đã ngăn chặn sự ngập nước, đẩy nhanh quá trình vận chuyển khí CO2. Như vậy, hoạt tính CO2RR được cải thiện khi giảm các dao động dòng điện.
Nguồn Gốc Hiệu Suất Vượt Trội: Hiệu Ứng Nội Tại/Bên Ngoài do Phối Tử Lipid
Mật độ dòng điện riêng phần CO cao ở quá điện thế catot cao là một lợi thế lớn của chất xúc tác Ag-NP; để làm sáng tỏ nguồn gốc của hiện tượng này, các đặc tính bên ngoài của chất xúc tác đã được phân tích. IL-TEM đã được tiến hành trước và sau CO2RR để nghiên cứu những thay đổi về hình thái trong chất xúc tác Ag-NP trong quá trình CO2RR.
Đối với chất xúc tác Ag đen, số lượng cụm Ag hiện có giảm trong quá trình phản ứng, với nhiều hạt nano Ag nằm xung quanh các cụm Ag ban đầu. Hiện tượng này, được định nghĩa là ăn mòn catot, có thể xảy ra thông qua sự phân tách/tách rời và kết tụ của các cụm Ag hiện có. Ngược lại, sự phân tách hoặc tách rời các nguyên tử Ag là không đáng kể trong quá trình CO2RR xúc tác Ag-NP. Điều này có thể là do các phối tử lipid còn lại gắn vào vị trí góc của các hạt nano. Chúng để lộ mặt phẳng (111) có độ kết tinh cao, tạo ra hoạt tính xúc tác tuyệt vời đối với CO2RR trong các điều kiện được hỗ trợ bởi cation và làm tăng hoạt tính CO2RR mà không bị ăn mòn catot.
Các đặc tính nội tại (ăn mòn catot và trạng thái oxy hóa) được gây ra bởi các đặc tính bên ngoài, đặc biệt là tính kỵ nước của bề mặt điện cực. Tính kỵ nước ảnh hưởng đáng kể đến hoạt tính CO2RR; ngập nước điện cực, tạo ra bề mặt ưa nước, cản trở quá trình truyền khối của khí CO2.
