Electrochemical and Photoelectrochemical Co2 Reduction into C1 and C2 Oxygenated Products Using Cu2o-Based Materials

Abstract

La importància de la reducció de CO2 fotoelectroquímica rau en la seva capacitat per afrontar reptes mediambientals crítics. Mitjançant semiconductors com Cu2O sota llum visible, el CO2 es pot transformar en combustibles de valor afegit. En aquest estudi, es van dissenyar i desenvolupar diferents morfologies de nanocables, nanopiràmides i microcristalls cúbics o octaèdrics: mitjançant mètodes incloent processos químics, oxidació tèrmica de làmines de coure i electrodeposició en superfícies conductores. Per millorar l’estabilitat electroquímica, la fotoestabilitat i l’activitat catalítica dels fotocàtodes, es van utilitzar múltiples estratègies: nanoestructura multiunió i modificació d’òxids de coure amb metalls nobles i polímers. Resultats destacables: 1) La introducció de metalls nobles va promoure la producció d'acetat durant la reducció fotoelectroquímica a potencial suau (–0,4 V vs. Ag/AgCl). 2) El compost Cu2O-polianilina va conduir a la producció de formiat a –0,6 V vs. Ag/AgCl, durant els experiments de reducció electroquímica en cèl·les de tipus H, mentre que també es van detectar productes C2 mitjançant Cu2O@polianilina. A més, l'estabilitat electroquímica de Cu2O@polianilina va ser superior a la de Cu2O-polianilina a potencials comparables. Aquest estudi va avaluar diversos paràmetres que influeixen en el rendiment catalític durant la reducció electroquímica de CO2 en cèl·les de fluxe. Aquests resultats són prometedors pel que fa a l'aplicació de nanomaterials Cu2O en electrolitzadors de CO2 escalats.

La importancia de la reducción fotoelectroquímica de CO2 radica en su capacidad para abordar desafíos ambientales críticos. Mediante el uso de semiconductores como Cu2O bajo luz visible, el CO2 puede transformarse en combustibles de valor añadido. En este estudio, se diseñaron y desarrollaron diferentes morfologías de Cu2O, principalmente nanocables, nanopirámides y microcristales cúbicos u octaédricos mediante métodos que incluyen procesos químicos, oxidación térmica de láminas de cobre y electrodeposición en superficies conductoras. Para mejorar la estabilidad electroquímica, la fotostabilidad y la actividad catalítica de los fotocátodos, se emplearon múltiples estrategias: nanoestructura multiunión y modificación de óxidos de cobre con metales nobles y polímeros. Resultados destacables: 1) La introducción de metales nobles promovió la producción de acetato durante la reducción fotoelectroquímica a potencial suave (–0.4 V vs. Ag/AgCl). 2) El compuesto Cu2O-polianilina condujo a la producción de formiato a –0.6 V vs. Ag/AgCl, durante los experimentos de reducción electroquímica en celdas de tipo H, mientras que también se detectaron productos C2 utilizando Cu2O@polianilina. Además, la estabilidad electroquímica de Cu2O@polianilina fue mayor que la de Cu2O-polianilina a potenciales comparables. Este estudio evaluó varios parámetros que influyen en el rendimiento catalítico durante la reducción electroquímica de CO2 en celdas de flujo. Estos resultados son prometedores con respecto a la aplicación de nanomateriales de Cu2O en electrolizadores de CO2 escalados.

The importance of photoelectrochemical CO2 reduction lies in its capacity to address critical environmental challenges. By using semiconductors such as Cu2O under visible light, CO2 can be transformed into value-added fuels. In this study, different morphologies of Cu2O–namely nanowires, nanopyramids, and cubic or octahedral microcrystals– were designed and developed via methods including chemical processes, thermal oxidation on copper sheets, and electrodeposition on conductive surfaces. In order to improve the electrochemical stability, photostability, and catalytic activity of photocathodes, multiple strategies were employed: multijunction nanostructure and modification of copper oxides with noble metals and polymers. Key results: 1) The introduction of noble metals tended to promote acetate production during photoelectrochemical reduction at the mild potential (–0.4 V vs. Ag/AgCl). 2) The Cu2O-polyaniline composite led to formate production at –0.6 V vs. Ag/AgCl, during electrochemical reduction experiments in H-type cells, whereas C2 products were also detected by using Cu2O@polyaniline. In addition, the electrochemical stability of Cu2O@polyaniline was greater than that of Cu2O-polyaniline at comparable potentials. This study evaluated various parameters that influence catalytic performance during the electrochemical reduction of CO2 in flow cells. These results are promising with regard to the application of Cu2O nanomaterials in upscaled CO2 electrolyzers.