Catalyst design at atomic levelfor the electrochemical carbon dioxide reduction.

Chen, Zhangsen (2023). Catalyst design at atomic levelfor the electrochemical carbon dioxide reduction. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 158 p.

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Résumé

Le dioxyde de carbone (CO2) est l'un des produits finaux de la combustion de carburant et le principal composant des gaz à effet de serre. La réduction du CO2 atmosphérique diminue non seulement la pollution de l'environnement, mais produit également des produits chimiques à valeur ajoutée, offrant une solution possible aux problèmes énergétiques et environnementaux simultanément. Un défi fatal est la faible efficacité de conversion de la réduction du CO2 en raison de l'inertie de la molécule de CO2. La conception des nanomatériaux catalyseurs avec une sélectivité, une stabilité et des capacités d'activation élevées pour la conversion du CO2 est nécessaire. Les catalyseurs à un seul atome (SAC) dérivés de la structure imidazolate zéolitique (ZIF-8) sont largement étudiés dans de nombreuses réactions catalytiques telles que la réaction de dégagement d'hydrogène (HER), la réaction de réduction de l'oxygène (ORR) et les réactions de réduction du CO2 (CO2RR). Les procédures de broyage impliquées dans la synthèse des SAC dérivés de ZIF-8 pourraient affecter les performances catalytiques mais sont moins évaluées dans la littérature. Ce travail présente une série de SAC de cobalt dérivés de ZIF-8 (C-Co-ZIF) avec différents processus de broyage pour étudier l'impact des degrés de broyage sur les performances de la réaction de réduction électrochimique du CO2 (ECO2RR). Le processus de broyage modéré offre une augmentation de l'efficacité faradique du CO (FE, environ 15 % supérieure à celle du C-Co-ZIF d'origine) et les densités de courant les plus élevées parmi tous les échantillons. Les variations de la structure électronique des sites actifs Co dans les catalyseurs broyés sont confirmées par la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) et la spectroscopie d'émission des rayons X (XES) pour des performances catalytiques améliorées. L'augmentation des micro-pores dans le catalyseur modérément broyé fournit des sites actifs plus exposés tandis que l'augmentation des méso- et macro-pores favorise le transfert de masse, ce qui profite aux performances ECO2RR. Cela suggère que l'impact des processus de broyage sur la synthèse des SAC dérivés de ZIF-8 devrait être pris en compte pour l'évaluation des performances catalytiques. Les catalyseurs dispersés atomiquement à base de métaux de transition sont prometteurs pour la sélectivité et l'activité élevées dans ECO2RR. Inspiré par les résultats prometteurs obtenus avec les précédents Co-SAC, la combinaison de Co avec d'autres éléments de métaux de transition pour fabriquer des SAC multimétalliques est proposée pour promouvoir les performances d'ECO2RR. Une série de catalyseurs bimétalliques Co, Fe dispersés atomiquement en carbonisant le cadre Co-zéolitique-imidazolate introduit par Fe (C-Fe-Co-ZIF) pour la génération de gaz de synthèse à partir d'ECO2RR est présentée. L'effet synergique du catalyseur bimétallique favorise la production de CO. Comparé au C-Co-ZIF pur, le C-Fe-Co-ZIF facilite la production de CO avec une augmentation de l'efficacité faradique (FE) du CO, avec un FECO optimal d'environ 52 %, un FEH2 d'environ 42 % à -0,55 V et du CO densité de courant de 8,0 mA cm-2 à -0,7 V vs électrode à hydrogène réversible (RHE). Le rapport H2/CO est réglable de 0,8 à 4,2 dans une large fenêtre de potentiel de -0,35 à -0,8 V vs RHE. Le total FECO+H2 se maintient à 93 % sur 10 heures. La bonne quantité d'ajout de Fe pourrait augmenter le nombre de sites actifs et créer de légères distorsions pour les environnements nanoscopiques de Co et Fe, ce qui est essentiel pour l'amélioration de la production de CO dans ECO2RR. Les impacts positifs des catalyseurs bimétalliques Cu-Co et Ni-Co démontrent la polyvalence et l'application potentielle de la stratégie bimétallique pour ECO2RR. Avec les preuves montrant le potentiel de Fe dans ECO2RR, des SAC de Fe fabriqués à partir de la pyrolyse à haute température assistée par ZIF sont fabriqués. Les Fe SACs autorisent le FEco jusqu'à 76 %, ce qui est supérieur à ceux des Co-SACs précédents. Le dépôt de couche atomique (ALD), capable de construire des catalyseurs avec une précision au niveau atomique de manière hautement contrôlable, est une technique prometteuse pour résoudre les problèmes clés de la réduction du CO2. Les Fe-SAC revêtus d'ALD-Al2O3 sont préparés pour effectuer les tests ECO2RR. La bonne quantité de revêtement ALD-Al2O3 (25 cycles d'ALD) peut légèrement favoriser le FEco de FeNC jusqu'à 80 %. En plus, l'ALD-Al2O3 peut empêcher de manière significative le vieillissement du FeNC. 25 ALD-Al2O3 FeNC a même maintenu son activité ECO2RR après le vieillissement de 10 mois. L'importance des catalyseurs ALD à structure fine reste à explorer pour mieux comprendre les bénéfices catalytiques en termes de performances dans le futur.

Carbon dioxide (CO2) is one of the end products of fuel combustion and the major component of greenhouse gases. The reduction of atmospheric CO2 not only decreases environmental pollution but also produces value-added chemicals, providing a possible solution to energy and environment issues simultaneously. One fatal challenge is the low conversion efficiency of CO2 reduction due to the inertness of the CO2 molecule. The design of the catalyst nanomaterials with high selectivity, stability, and activation capabilities for the conversion of CO2 is needed. The zeolitic imidazolate framework (ZIF-8) derived single-atom catalysts (SACs) are widely studied in many catalytic reactions such as hydrogen evolution reaction (HER), oxygen reduction reaction (ORR), and CO2 reduction reactions (CO2RR). Grinding procedures involved in the synthesis of ZIF-8-derived SACs could affect the catalytic performance but are less evaluated in the literature. This work presents a series of ZIF-8-derived cobalt SACs (C-Co-ZIFs) with different grinding processes to investigate the impact of the grinding degrees on the performance of the electrochemical reduction reaction of CO2 (ECO2RR). The moderate grinding process affords a boost in CO Faradaic efficiency (FE, around 15 % higher than that of the original C-Co-ZIF) and the highest current densities among all the samples. The variations in the electronic structure of the Co active sites in the ground catalysts are confirmed by X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray emission spectroscopy (XES) for improved catalytic performance. The increased micro-pores in the moderately ground catalyst provide more exposed active sites while the increased micro- and macro-pores promote the active site hosting and mass transfer, respectively, benefiting the ECO2RR performance. It suggests that the impact of grinding processes on the synthesis of ZIF-8-derived SACs should be considered for the evaluation of the catalytic performance. Transition metal-based atomically dispersed catalysts are promising for the high selectivity and activity in ECO2RR. Inspired by the promising results obtained from the previous Co-SACs, the combination of Co with other transition metal elements to fabricate multi-metallic SACs is proposed to promote the ECO2RR performance. A series of atomically dispersed Co, Fe bimetallic catalysts by carbonizing the Fe-introduced Co-zeolitic-imidazolate-framework (C-Fe-Co-ZIF) for the syngas generation from ECO2RR are presented. The synergistic effect of the bimetallic catalyst promotes CO production. Compared to the pure C-Co-ZIF, C-Fe-Co-ZIF facilitates CO production with a CO FE boost, with optimal FECO of around 52%, FEH2 of around 42% at -0.55 V, and CO current density of 8.0 mA cm-2 at -0.7 V vs reversible hydrogen electrode (RHE). The H2/CO ratio is tunable from 0.8 to 4.2 in a wide potential window of -0.35 to -0.8 V vs. RHE. The total FECO+H2 maintains as high as 93% over 10 hours. The proper adding amount of Fe could increase the number of active sites and create mild distortions for the nanoscopic environments of Co and Fe, which is essential for the enhancement of the CO production in ECO2RR. The positive impacts of Cu-Co and Ni-Co bimetallic catalysts demonstrate the versatility and potential application of the bimetallic strategy for ECO2RR. With the evidence showing the potential of Fe in ECO2RR, Fe SACs made from ZIF-assisted high-temperature pyrolysis are fabricated. The Fe SACs allow the FEco up to 76 %, which is higher than those of the previous Co-SACs. Atomic layer deposition (ALD), capable of constructing catalysts with atomic-level precision in a highly controllable manner, is a promising technique to address the key problems in CO2 reduction. The ALD-Al2O3-coated Fe-SACs are prepared to conduct the ECO2RR tests. The proper amount of ALD-Al2O3 coating (25 cycles of ALD) can slightly promote the FEco of FeNC up to 80%. 25 ALD-Al2O3 FeNC even maintained its ECO2RR activity after the aging of 10 months. The significance of the ALD catalysts with fine structures remains to be explored to obtain a better understanding of the catalytic-performance-aimed benefits in the future.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Sun, Shuhui
Mots-clés libres:	Réduction du CO2 ; électrocatalyse ; production de gaz de synthèse ; cobalt ; fer ; catalyseurs dérivés du ZIF-8 ; procédé de broyage ; catalyseurs bimétalliques ; dépôt de couche atomique CO2 reduction ; electrocatalysis ; syngas production ; cobalt ; iron ; ZIF-8 derived catalysts ; grinding process ; bimetallic catalysts ; atomic layer deposition
Centre:	Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt:	14 déc. 2023 16:35
Dernière modification:	19 déc. 2023 21:02
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/13793

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