Development and Mechanistic Study of Single Sites in 2D-Covalent Organic Frameworks for Co2 Electroreduction

Abstract

El canvi climàtic i la dependència excessiva dels combustibles fòssils exigeixen solucions per reduir les emissions de CO2 i desenvolupar tecnologies d'energia sostenibles. La reducció electroquímica de CO2 té el potencial d'aconseguir un cicle d'energia neutre en carboni. No obstant això, la seva aplicació a nivell industrial encara presenta certs desafiaments que cal superar, com la baixa selectivitat, la curta durabilitat i les baixes densitats de corrent amb alts sobrepotencials. Per això és necessari el desenvolupament de noves plataformes catalítiques sostenibles, modulars, robustes i eficients. Aquesta tesi doctoral inclou una comprensió fonamental del mecanisme de reducció de CO2 utilitzant “Single Atom Catalysts” (SACs) introduïts en ”Covalent Organic Frameworks” (COFs). En aquesta dissertació s'investiga la reducció electroquímica de CO2 en aigua emprant nous COFs de Mn, amb un èmfasi especial en la comprensió de la relació entre l'estructura dels materials i l'activitat electrocatalítica. El centre d'interès inicial d'aquest treball és aumentar l'activitat i l'estabilitat dels catalitzadors de Mn utilitzant llocs actius de {Mn(CO)3} altament organitzats. En comparació amb els derivats de Mn equivalents, els COFs van exhibir més selectivitat i activitat.

El cambio climático y la excesiva dependencia de los combustibles fósiles exigen soluciones para reducir las emisiones de CO2 y desarrollar tecnologías de energía sostenibles. La reducción electroquímica de CO2 tiene el potencial de lograr un “ciclo de energía neutro en carbono”. Sin embargo, para su aplicación a nivel industrial aún existen desafíos que se deben superar, como la baja selectividad, corta durabilidad y bajas densidades de corriente con altos sobrepotenciales. Por lo que es necesario el desarrollo de nuevas plataformas catalíticas sostenibles, modulares, robustas y eficientes. Esta tesis doctoral incluye una comprensión fundamental del mecanismo de reducción de CO2 utilizando “Single Aton Catalysts (SACs) introducidos en “Covalent Organic Frameworks (COFs). En esta disertación se investiga la reducción electroquímica de CO2 en agua utilizando nuevos COFs de Mn, con especial énfasis en la comprensión de la relación entre la estructura de los materiales y la actividad electrocatalítica. El centro de interés inicial de este trabajo es aumentar la actividad y estabilidad de los catalizadores de Mn utilizando sitios activos de {Mn(CO)3} altamente organizados.

Global warming, climate change and our over-dependence on non-renewable fossil fuels demand long-term solutions to reduce CO2 emissions and develop sustainable energy technologies. The electrochemical CO2 reduction has the potential to accomplish a “carbon-neutral energy cycle”, which incorporates CO2 as the unlimited carbon source for the production of high-density fuels. However, for an industrial application, there are still challenges to overcome, such as low selectivity, short durability and low current densities along with high overpotentials. New sustainable, modular, robust and efficient catalytic platforms are needed. In this regard, this PhD dissertation entails a fundamental understanding of the CO2 mechanisms using Single Atom Catalyst within Covalent Organic Frameworks (COFs). This thesis focuses on the investigation of the electrochemical CO2 reduction using new Manganese based-COFs with emphasis on understanding the relationship between structure and electrocatalytic activity. The initial center of interest of this work is to accomplish active performance and durability for CO2 reduction using highly-organized {Mn(CO)3} active sites within COFs. Compared to equivalent Mn derivates, COFs exhibited higher selectivity and activity.