Tailoring Ag–Cu Thin Film Catalysts by Physical Vapor Deposition for Selective CO₂ Electroreduction

De atmosfeer is gevuld met koolstofdioxide, een gas dat warmte vasthoudt en klimaatverandering aanjaagt. Hoewel de natuur al lang op planten vertrouwt om dit gas uit de lucht te halen, onderzoeken wetenschappers een manier om dit met elektriciteit te doen. Dit proces, bekend als elektrochemische reductie, gebruikt hernieuwbare energie om koolstofdioxide te dwingen te reageren met water, waardoor een afvalproduct wordt omgezet in nuttige brandstoffen of chemicaliën. De uitdaging ligt in de chemie: koolstofdioxide is een zeer stabiel molecuul dat weerstand biedt tegen verandering, en wanneer onderzoekers proberen het uit elkaar te breken, produceert het vaak een rommelige mix van verschillende stoffen of creëert het simpelweg waterstofgas in plaats van de gewenste brandstof. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers speciale materialen nodig, katalysatoren genoemd, die de reactie kunnen sturen om precies te produceren wat ze willen, zoals koolmonoxide, een belangrijke ingrediënt voor het maken van synthetische brandstoffen, zonder energie te verspillen aan ongewenste zijreacties.

In een recente studie hebben onderzoekers van de National Research Council in Italië en de Universiteit van Milano-Bicocca dit probleem aangepakt door een nieuw type katalysator te ontwerpen met behulp van twee veelvoorkomende metalen: zilver en koper. Ze wilden zien of ze deze metalen in een dunne laag konden combineren om het beste van beide werelden te krijgen. Zilver staat erom bekend goed te zijn in het maken van koolmonoxide, terwijl koper beroemd is om zijn vermogen om koolstofatomen aan elkaar te koppelen, hoewel het vaak te veel verschillende producten tegelijk maakt. Het team gebruikte een techniek genaamd fysieke dampdepositie, wat in essentie een manier is om metaalatomen op een oppervlak te spuiten in een vacuüm, om een stuk koolstofdoek met deze metalen te coaten. Door zorgvuldig te controleren hoeveel van elk metaal werd gespoten en hoe snel, creëerden ze een reeks dunne films met verschillende verhoudingen van zilver tot koper. Hun doel was om het perfecte evenwicht te vinden waarbij het materiaal zeer selectief zou zijn, waarbij het voornamelijk koolmonoxide produceert terwijl de productie van waterstofgas tot een minimum wordt beperkt.

De onderzoekers begonnen door te testen hoe de hoeveelheid gedeponeerd metaal de vorm en prestaties van de katalysator beïnvloedde. Ze spoten de metalen op de koolstofdoek gedurende een vaste tijd, maar varieerden de elektrische stroom die werd gebruikt om het proces aan te drijven. Ze ontdekten dat het gebruik van een lagere stroom kleinere, meer verspreide metaaldeeltjes creëerde, terwijl een hogere stroom leidde tot grotere klonten die een groter deel van het oppervlak bedekten. Verrassend genoeg presteerden de monsters met de zwaarste metaallading niet het best. In plaats daarvan boden de katalysatoren met een matige hoeveelheid metaal, gedeponeerd bij een lagere stroom, een betere balans. Deze monsters hadden voldoende oppervlakte voor de reactie om plaats te vinden, maar vermeden de overbevolking die de actieve locaties die nodig zijn voor de chemische transformatie leken te blokkeren. Dit suggereerde dat het simpelweg toevoegen van meer metaal niet de oplossing was; de ordening en toegankelijkheid van de metaalatomen waren veel belangrijker.

Vervolgens richtte het team zich op de verhouding van zilver tot koper en testte mengsels waarbij zilver 75 procent, 50 procent of 25 procent van de metaalinhoud uitmaakte. Ze ontdekten dat de samenstelling van de film een directe impact had op wat de katalysator produceerde. De monsters die rijk waren aan koper hadden de neiging om meer waterstofgas te genereren, een concurrerende reactie die energie verspilt. In contrast hiermee waren de monsters met meer zilver veel beter in het sturen van de reactie naar koolmonoxide. De meest succesvolle katalysator was een film met 75 procent zilver en 25 procent koper. Deze specifieke mengeling bereikte een conversie-efficiëntie van 47 procent voor koolmonoxide, wat betekent dat bijna de helft van de elektrische stroom die in het systeem gaat, werd gebruikt om het gewenste gas te maken. Deze prestatie was vergelijkbaar met een katalysator gemaakt van puur zilver, wat aantoont dat het bimetallische systeem de efficiëntie van het pure metaal kan evenaren terwijl het een aanpasbaar platform biedt voor optimalisatie.

Gedurende de hele experimenten gebruikten de onderzoekers krachtige microscopen en röntgentools om nauwkeurig naar de katalysatoren te kijken. Ze bevestigden dat de zilver- en koperatomen gelijkmatig over de koolstofdoek waren verspreid, waardoor een uniforme laag ontstond in plaats van aparte eilanden van metaal. Ze observeerden ook dat de metaalatomen een specifiek type legeringsstructuur vormden, waarbij de twee metalen op atomair niveau met elkaar waren gemengd. Om de stabiliteit van deze structuur te testen, voerden ze een apart experiment uit waarbij ze een monster verhitten; ze vonden dat de legering uiteenviel in puur zilver en puur koper, en de prestaties daalden aanzienlijk. Dit bevestigde dat de gemengde staat van de metalen essentieel was voor de goede werking van de katalysator, aangezien de gescheiden fasen minder actief waren. De studie controleerde ook op andere mogelijke producten, zoals vloeibare zuren of alcoholen, maar vond slechts sporen, wat erop wijst dat de reactie zeer gericht was op de productie van koolmonoxide en waterstof.

Het werk demonstreert dat het mogelijk is om zeer effectieve katalysatoren te creëren door de samenstelling en de methode van toepassing zorgvuldig af te stemmen. De onderzoekers lieten zien dat het gebruik van fysieke dampdepositie zorgt voor een nauwkeurige controle over de metaallading en de verhouding van de elementen, wat leidt tot materialen die zowel efficiënt als economisch zijn. Hoewel de huidige resultaten veelbelovend zijn, merken de auteurs op dat er nog ruimte is voor verbetering. Factoren zoals de druk van het koolstofdioxidegas en de specifieke opstelling van de reactiecel kunnen de prestaties verder verhogen. Voor nu biedt de studie een duidelijk pad voorwaarts, door te bewijzen dat een eenvoudige, gecontroleerde mengeling van zilver en koper kan dienen als een robuust platform voor het omzetten van koolstofdioxide in een waardevolle chemische bouwsteen.