CO2/탄산염

Jan 11, 2024

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2668(2022) 이 기사 인용

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2e− 경로를 통한 과산화수소(H2O2)에 대한 전기화학적 물 산화 반응(WOR)은 지속 가능한 H2O2 합성 경로를 제공하지만 산소 발생의 전통적인 4e− 대응에 의해 도전을 받습니다. 여기에서는 WOR 경로를 4e-에서 2e-로 조정하는 CO2/탄산염 중재 접근 방식을 보고합니다. 탄산염 용액에 불소가 도핑된 산화주석 전극을 사용하여 최대 87%의 높은 H2O2 선택도를 달성하고 최대 1.3A cm−2의 전례 없는 H2O2 부분 전류를 전달했는데, 이는 문헌에 비해 몇 배나 향상된 수치입니다. 전자 상자성 공명 및 동위원소 라벨링 실험과 결합된 분자 역학 시뮬레이션은 탄산염이 탄산염 라디칼 및 과탄산염 중간체의 형성을 통해 H2O2에 대한 WOR 경로를 중재한다는 것을 제안했습니다. 높은 선택성, 산업 관련 활동 및 우수한 내구성은 비국소화된 H2O2 생산에 대한 실질적인 기회를 열어줍니다.

2e− 경로(2e−-WOR)를 통한 전기화학적 물(H2O) 산화에서 과산화수소(H2O2)로의 산화는 전통적인 안트라퀴논 공정에 비해 H2O2를 생산하는 친환경적이고 지속 가능한 경로를 나타내지만 현재는 강한 일반적인 4e- 산소 발생 반응 경로(OER 또는 4e--WOR)1,2,3,4,5,6와의 경쟁. 2e--WOR을 H2O2로 촉진하는 전통적인 접근법은 4e- 대응물에 비해 중간 O 종과 상대적으로 약한 결합 강도를 갖는 촉매를 탐색하는 데 주로 초점을 맞춰 왔습니다. 이러한 촉매(일반적으로 불활성 금속 산화물7,8,9,10 및 기타 물질12,13,14로 만들어짐)은 물 산화 단계를 활성화하기 위해 큰 과전위가 필요하지만 2e--WOR 전류 밀도는 일반적으로 ~10~10으로 제한됩니다. 200mA cm−2, 더 큰 전류를 구동하기 위한 추가 과전위가 H2O2 선택도를 크게 감소시키면서 물 산화 반응을 O2까지 밀어내기 시작하기 때문입니다7,8,9,10,11,15,16. 결과적으로 최첨단 2e-WOR 성능은 실제 응용 분야의 요구 사항보다 훨씬 낮습니다7,17.

"전자 셔틀"로서의 반응 산화환원 매개체는 전기촉매18,19, 전기유기합성20,21,22 및 생체전기촉매23에서 원하는 반응 경로(특히 중간 생성물의 경우)를 촉진하는 데 중요한 역할을 해 왔으며 H2O2 활동 선택성 딜레마에 대한 해결책이 될 수 있습니다. . 선택적 2e--WOR에 대한 이러한 종류의 반응 매개체를 탐색하는 것은 어려운 일이지만, 우리의 본성은 우리에게 답을 줄 수 있습니다. H2O2는 일반적으로 신호 전달에 필수적인 활성산소종(ROS)의 한 유형으로 생물계에 존재합니다. 그러나 연구자들은 고농도의 CO2가 ROS 폭발(세포에서 ROS의 급속한 방출)을 유발하여 산화환원에 민감한 단백질과 세포 구조를 파괴할 수 있음을 발견했습니다(보충 참고 1)27,28.

이 현상과 전기생성 화학발광29,30 및 퍼옥시카보네이트 합성31에 대한 이전 연구에서 영감을 받아, 여기서 우리는 CO2(또는 물에서 이온 형태인 탄산염)가 전기화학적 물 산화에서 H2O2 경로를 촉진하는 효과적인 중재자 역할을 할 수 있다는 가설을 세웠습니다(그림 1a). )32,33,34. 불소 도핑 주석 산화물(FTO)을 모델 촉매 전극으로 사용하여 최대 87%의 높은 H2O2 선택성을 입증하고 최대 1.3A cm−2의 높은 H2O2 부분 전류 밀도를 제공하며 장기적으로 안정적이고 지속적인 H2O2 생성을 달성했습니다. 탄산염 용액의 전류 밀도 150mA cm−2에서 80% 이상의 H2O2 선택도로 250시간. 우리 연구의 전기화학적 성능은 이전 연구에 비해 몇 배나 향상된 결과를 나타냅니다. 우리는 전자 상자성 공명 및 동위원소 표지 실험과 결합된 분자 역학 시뮬레이션을 사용하여 탄산염 매개 효과의 메커니즘을 연구했습니다. 시뮬레이션 및 실험 결과에 따르면 탄산염은 탄산염 라디칼과 과탄산염 중간체를 통해 WOR 경로를 매개합니다.