مقالة منهجية

التحليل الكهربائي المزدوج غير المتماثل لثاني أكسيد الكربون والجلسرول في وسط حمضي-قاعدي للتخليق الكهربائي للفورمات

52 مشاهدة

⸱

DOI:

10.3791/73822

⸱

سبتمبر 29, 2026

 ,  , 

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

يصف هذا البروتوكول نظام خلية تدفق غير متماثلة حمضية-قلوية يربط بين الاختزال الكهربائي لـ CO2 عند الكاثود والأكسدة الكهربائية للجلسرول عند الأنود، مما يسمح بإنتاج مشترك للفورمات بكفاءة في استهلاك الطاقة مع تقليل استهلاك الطاقة بشكل كبير مقارنةً باستخدام تفاعل تطور الأكسجين التقليدي.

الملخص

يصف هذا البروتوكول تكويناً لخلية تدفق تربط تفاعل الاختزال الكهربائي لثاني أكسيد الكربون (CO2RR) عند الكاثود في وسط حمضي مع تفاعل الأكسدة الكهربائية للجلسرول (GOR) عند الأنود في وسط قلوي لإنتاج الفورمات بشكل مشترك وفعال. ويعزز نظام تخليق كهربائي مزدوج، يعتمد على تصميم إلكتروليتي غير متماثل (حمض-قاعدة)، من الاستفادة من الإلكترونات عن طريق تحويل طاقة تعادل الحمض والقاعدة إلى قوة دفع كهركيميائية مفيدة، مما يعزز التخليق الكهربائي للفورمات. تم تخليق صفائح بزموت نانوية مشتقة من الأكسيد (OD-Bi NSs) عبر الترسيب الكيميائي متبوعاً بالاختزال الكهربائي، واستُخدمت كحفاز للكاثود لتحويل CO2RR إلى فورمات. وفي الوقت نفسه، عمل حفاز قضبان Co3O4 النانوية، الذي تم تحضيره عبر الترسيب الكيميائي متبوعاً بالتكليس، كحفاز للأنود لتفاعل GOR بمساعدة Cu2+ لإنتاج الفورمات، حيث تعمل كمية ضئيلة من Cu2+ المضافة إلى الإلكتروليت الأنودي على تعزيز نشاط GOR. ثم تم تقييم الأداء، بما في ذلك الجهد الزائد وانتقائية الفورمات ونشاط حفازات OD-Bi NSs و Co3O4 ، في محلل كهربائي هجين. ومقارنةً بتفاعل CO2RR التقليدي المقترن بتفاعل تصاعد الأكسجين، يظهر نظام التحليل الكهربائي المزدوج CO2RR-GOR انخفاضاً ملحوظاً في استهلاك الطاقة وزيادة في إنتاج الفورمات.

المقدمة

برز تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون الكهركيميائي (CO2RR) إلى مواد كيميائية ذات قيمة مضافة كاستراتيجية واعدة لاستغلال الكربون وتخزين الطاقة المتجددة1,2,3,4,5. ومن بين نواتج اختزال CO2 المختلفة، يُعد حمض الفورميك (HCOOH) جذاباً بشكل خاص نظراً لكثافته الطاقية الحجمية العالية، وسهولة تخزينه ونقله، وتطبيقاته الواسعة في التخليق الكيميائي وخلايا الوقود6,7,8. وقد أظهرت المحفزات القائمة على البزموت (Bi) انتقائية ممتازة تجاه إنتاج الفورمات بسبب ألفة الارتباط المناسبة للوسيط *OCHO7,9 وتثبيط تفاعل تطور الهيدروجين10.

على الرغم من هذه المزايا، لا يزال التنفيذ العملي لـ CO­2RR متعذراً بسبب استهلاكه العالي للطاقة عند اقترانه بتفاعل تطور الأكسجين الأنودي (OER)11,12. يُعد تطور الأكسجين (OER) عملية تتطلب أربعة إلكترونات من الناحية الديناميكية الحرارية وتتميز بحركية بطيئة، مما يؤدي إلى جهود خلية عالية وكفاءة طاقة منخفضة للخلية الكاملة13,14. ولمواجهة هذا التحدي، أصبح استبدال تفاعل تطور الأكسجين (OER) بتفاعلات أكسدة عضوية مفضلة ديناميكياً حرارياً استراتيجية فعالة لتقليل مدخلات الكهرباء مع إنتاج مواد كيميائية ذات قيمة مضافة في الوقت ذاته11,15,16.

لقد حظي تفاعل أكسدة الجلسرين (GOR) باهتمام كبير كبديل لتفاعل الأنود لأن الجلسرين رخيص الثمن ويمكن ترقيته إلى منتجات عالية الوظائف17,18. علاوة على ذلك، يظهر تفاعل GOR جهد أكسدة أقل (0.69 V مقابل قطب الهيدروجين العكوس (RHE)) مقارنة بتفاعل تطور الأكسجين OER (>1.23 V مقابل RHE) ويمكنه توليد فورمات ذات قيمة، مما يتيح نظام تخليق كهروكيميائي مزدوج للفورمات مع فورمات مشتقة من تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون CO2RR عند الكاثود18,19,20,21. وقد تم استكشاف الأكاسيد القائمة على معادن غير نبيلة، وخاصة تلك القائمة على Co، بهذا الأسلوب نظراً لقلة تكلفتها ومقاومتها للتآكل وبنيتها المسبينور المنظمة22,23. وأثبتت الدراسات الحديثة جدوى اقتران تفاعل CO₂RR باستخدام محفز Bi/C مع تفاعل GOR باستخدام معادن انتقالية غير نبيلة24,25، ومحفز قائم على Pt26,27 ومحفز قائم على Au28 للإنتاج المشترك للفورمات. وتعتمد هذه الأنظمة بشكل أساسي على إلكتروليت متعادل أو تجميعة قطب غشائية خالية من الإلكتروليت الكاثودي، مما قد يؤدي إلى ترسب (البي)كربونات وتقليل نشاط التفاعل. ويمكن لاستخدام إلكتروليت كاثودي حمضي لتفاعل CO2RR أن يثبط تكوين (البي)كربونات وبالتالي يزيد من كفاءة الكربون، بينما يمكن لاستخدام إلكتروليت أنودي قلوي لتفاعل GOR أن يسهل الأكسدة الكهربائية للجلسرين وتكسير رابطة C–C لإنتاج الفورمات باستخدام محفزات كهربائية من معادن غير نبيلة29,30. علاوة على ذلك، يوفر هذا التكوين غير المتماثل للإلكتروليت طاقة كهربائية إضافية من خلال طاقة التعادل الحمضي-القاعدي لإعادة اتحاد البروتونات والهيدروكسيد11,31. وبناءً على ذلك، فإن هذه الاستراتيجية لا تقلل من الجهد الكلي للخلية فحسب، بل تحسن أيضاً من استهلاك الطاقة في التخليق الكهربائي للفورمات.

يقدم هذا العمل بروتوكولاً لخلية تدفق لإنتاج مشترك وفعال للفورمات عن طريق ربط تفاعل CO2RR الحمضي مع تفاعل GOR القلوي في محلل كهربائي غير متماثل (حمض-قاعدة). تُستخدم صفائح Bi النانوية المشتقة من الأكسيد (OD-Bi NSs) كحفاز للكاثود لتحويل CO2 إلى فورمات بشكل انتقائي، بينما تعمل قضبان Co3O4 النانوية كحفاز للأنود لأكسدة الجلسرول إلى فورمات بمساعدة Cu2+. إن إدخال آثار من Cu2+ في محلول الأنوليت يعزز بشكل كبير من حركية GOR من خلال الدوران بالتفاعل مع المنتجات الوسيطة، والتحول إلى Cu+ ثم إعادة الأكسدة، مما يقلل من الجهد الزائد للأنود. ويظهر هذا النظام المتكامل استهلاكاً أقل بكثير للطاقة وتحسناً في إنتاج الفورمات مقارنة بالتحليل الكهربائي التقليدي لـ CO2RR-OER. ومقارنة بالدراسات السابقة حول ربط CO₂RR-GOR، يدمج النظام المصمم بشكل فريد تصميماً غير متماثل (حمض-قاعدة) يسخر طاقة التعادل بين إعادة اتحاد البروتون والهيدروكسيد لخفض جهد الخلية الإجمالي بشكل أكبر وتجنب تولد (البي)كربونات. وبناءً على ذلك، فإن التقدم الرئيسي في البروتوكول الحالي هو استخدام تكوين غير متماثل (حمض-قاعدة) لخفض جهد تشغيل الخلية مع الحفاظ على إنتاج الفورمات الانتقائي عند كلا القطبين، بدلاً من تحسين حفازات CO₂RR أو GOR بشكل فردي مقارنة بالأنظمة المبلغ عنها سابقاً. هذا البروتوكول قابل للتطبيق في مجموعة واسعة من سياقات البحث، بما في ذلك الاختزال الكهربائي لـ CO2، وأكسدة الجلسرول، وأنظمة التحليل الكهربائي المزدوجة لإنتاج المواد الكيميائية الموفرة للطاقة.

البروتوكول

لا يتضمن هذا البروتوكول مشاركين بشريين أو حيوانات تجارب؛ وبناءً على ذلك، لم يكن هناك حاجة للحصول على موافقة أخلاقية مؤسسية.

1. تحضير حفاز OD-Bi

  1. تحضير طليعة BiOCl
    1. أذب 4.85 g من Bi(NO3)3·5H2O في 10 mL من الماء منزوع الأيونات (DI) لتحضير المحلول A، وأضف 0.745 g من KCl و1.9 mL من HCl المركز في 10 mL من الماء منزوع الأيونات (DI) لتحضير المحلول B.
      ​تنبيه: حمض HCl المركز مادة مآكلة للغاية ومتطايرة. تعامل معه داخل خزانة استخلاص الغازات مع ارتداء قفازات مقاومة للأحماض ونظارات واقية.
    2. امزج المحلول A مع المحلول B، ثم استمر في التقليب عند درجة حرارة 25 °C لمدة 12 h لإنتاج راسب أبيض.
    3. اجمع الراسب الأبيض المتكون، واغسله بشكل متكرر بـ 50 mL من الإيثانول و50 mL من الماء منزوع الأيونات (DI) على التوالي، ثم جففه تحت الفراغ عند 60 °C لمدة 12 h للحصول على طليعة BiOCl.
  2. تحضير قطب BiOCl
    1. أضف 3 mg من طليعة BiOCl و30 µL من تشتت Nafion D–520 في 1 mL من الإيثانول لتحضير ملاط القطب، ثم قم بعملية السونكة لمدة 30 min لتكوين ملاط قطب مشتت بشكل متجانس.
    2. اسكب ملاط القطب المحضر بالتنقيط بشكل متساوٍ على ركيزة من الورق الكربوني بمقاس 1 cm × 3 cm (SGL Carbon, 28BC) لتعمل كقطب انتشار غازي، بحيث تصل حمولة الطليعة إلى حوالي 1 mg cm−2 (المحفز فقط).
      ملاحظة: المساحة الفعالة هي 1 cm2 بمقاس 0.5 cm × 2 cm للتفاعل.
    3. جفف الورق الكربوني المطلي بالمحفز تحت مصباح يعمل بالأشعة تحت الحمراء في جو من الهواء للحصول على قطب BiOCl.
  3. الاختزال الكهربائي لـ BiOCl لإنتاج محفز OD–Bi
    1. قم بتجميع قطب BiOCl في خلية تدفق مصنعة محلياً.
      ملاحظة: تبلغ الأبعاد الداخلية لكل من حجرتي الأنود والكاثود 0.5 cm (عرض) × 2 cm (طول) × 0.5 cm (عمق).
    2. أضف 8.71 g من K2SO4 و27 µL من H2SO4 المركز (98%) في 50 mL من الماء منزوع الأيونات (DI)، وخففه بالماء منزوع الأيونات (DI) حتى يصل الحجم الإجمالي إلى 100 mL لتحضير إلكتروليت حمضي (0.5 M K2SO4 بقيمة pH = 2)، واستخدم شبكة Pt كأنود.
      تنبيه: حمض H2SO4 المركز مادة مآكلة للغاية وتولد حرارة عند التخفيف. أضف الحمض إلى الماء دائماً ببطء، وليس العكس، وتعامل معه داخل خزانة استخلاص الغازات.
    3. قم بإجراء الاختزال الكهربائي لقطب BiOCl عند كثافة تيار ثابتة تبلغ −300 mA cm−2 لمدة 5 min لإنتاج محفز OD-Bi.

2. تحضير حفاز Co3O4

  1. أذب 291.0 mg من Co(NO3)2·6H2O في 50 mL من الماء منزوع الأيونات (DI water) لتحضير المحلول A، وأذب 134.0 mg من Na2C2O4 في 50 mL من الماء منزوع الأيونات (DI water) لتحضير المحلول B.
  2. أضف المحلول A إلى المحلول B قطرة بقطرة، ثم قم بالتحريك عند 25 °C لمدة 2 h، وبعد ذلك اجمع الراسب عن طريق الطرد المركزي بسرعة 12,840 × g لمدة تقارب 15 min، واغسله بـ 50 mL من الماء منزوع الأيونات (DI water) ثلاث مرات، ثم جففه عند 60 °C لمدة 12 h.
  3. قم بتكليس المسحوق الناتج عند 350 °C لمدة 4 h في جو من الهواء بمعدل تسخين قدره 5 °C min−1 لتحضير حفاز Co3O4.

3. التخليق الكهربائي لـ HCOOH عن طريق CO2RR

  1. استخدم جهاز كروماتوغرافيا غازية (GC) مجهزاً بمنخل جزيئي 5A وTDX–01 على التوالي لتحليل نواتج الغاز أثناء عملية CO2الرنين المغناطيسي.
  2. استخدم غازات قياسية لمنحنيات معايرة H2 وتركيز CO (H2: 1000 جزء في المليون؛ أول أكسيد الكربون: 1001 جزء في المليون؛ C2هـ4١٠٠٧ جزء في المليون؛ CH41000 جزء في المليون؛ أول أكسيد الكربون (CO)2: ١٠٠١ جزء في المليون؛ موازن بغاز Ar).
  3. للمعالجة المسبقة لغشاء تبادل البروتونات (Nafion 117)، يُنقع Nafion 117 في محلول H2SO4 بتركيز 3% وزني2O2 محلول مائي عند 80 °C لمدة ساعة واحدة لإزالة الشوائب العضوية، ثم الشطف جيداً بماء منزوع الأيونات (DI water) لإزالة بقايا H₂أو₂انقع الغشاء في 0.5 M H2ثاني أكسيد الكبريت4 في 80 °C لمدة ساعة واحدة لبرتنة مجموعات حمض السلفونيك، ثم الشطف بالماء منزوع الأيونات (DI water) بشكل متكرر حتى تقترب درجة حموضة السائل المتدفق من 7.
    تنبيه: H2أو2 مادة مؤكسدة وقد تسبب تهيجاً. يجب التعامل معها بحذر واستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة.
  4. ضع قطب OD-Bi والقطب المرجعي Ag/AgCl في حجرة واحدة من خلية التدفق، وضع قطب شبكة Pt في الحجرة الأخرى، مع الفصل بينهما بواسطة غشاء Nafion 117. احقن 20 مل من الإلكتروليت (0.5 M K2ثاني أكسيد الكبريت4 (مع درجة حموضة pH = 2) في كل حجرة من حجرات خلية التدفق، مع تمرير غاز CO في المحلول الكاثوليتي.2 بمعدل 40.0 سنتيمتر مكعب في الدقيقة (تتم مراقبته بواسطة متحكم تدفق الكتلة) لمدة ساعة واحدة لتكوين CO2إلكتروليت مشبع.
    ملاحظة: تغذية CO₂ في غرفة الهواء عند الكاثود بمعدل 30.0 سم³/دقيقة، مع مراقبة الغاز المتدفق باستمرار باستخدام جهاز الكروماتوغرافيا الغازية (GC) المتصل. يتم تزويد الإلكتروليت في قنوات التدفق بمعدل 10 مل/دقيقة.⁻1.
  5. قم بزيادة الجهد المطبق تدريجيًا من -1.65 إلى -2.05 فولت مقابلقطب الهيدروجين المرجعي العكوس (RHE). يُثبَّت كل جهد كهربائي لمدة 15 دقيقة، ويُسجَّل الاستجابة الكرونوأمبيرية المقابلة، ويُجمَع المنتج السائل لتحليله في نهاية كل خطوة تثبيت.
  6. تقدير تركيزات H2 وغاز CO في التدفق الخارج باستخدام كاشف الموصلية الحرارية (TCD) وكاشف التأين باللهب (FID) مع جهاز ميثنة (methanizer)، على التوالي.
  7. تحديد تركيزات HCOOH في المحاليل الكاثودية بعد التفاعل عن طريق 1الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (H1بالرنين المغناطيسي النووي للبروتون (H-NMR) باستخدام طريقة المعيار الداخلي. قم بتحضير محلول معياري عن طريق إضافة 0.7 µL ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) إلى 10 مل من D₂ن. انقُل 0.7 مل من الإلكتروليت الكاثودي (catholyte) باستخدام ماصة دقيقة سعة 1 مل، وأضف 0.3 مل من المحلول القياسي، ثم قم بالتحليل باستخدام الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (^1H-NMR).

4. التخليق الكهربائي لـ HCOOH بواسطة GOR

  1. أضف 3 ملغ من Co3O4 و 30 µL تشتيت Nafion D–520 في 1 مل من الإيثانول لتحضير ملاط القطب، يليه استخدام الموجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة لتكوين ملاط قطب مشتت بشكل متجانس.
  2. قم بصب ملاط القطب المُحضّر بالتساوي فوق مساحة ١ سم٢ × ركيزة من الورق الكربوني مقاس 3 سم (SGL Carbon, 28BC) كقطب كهربائي لانتشار الغاز، مع تحقيق تحميل للمادة السلائف بنحو 1 مجم/سم²−2 (المحفز فقط).
    ملاحظة: المساحة الفعالة هي 1 سم²2 بمقدار 0.5 سم × ٢ سم للتفاعل.
  3. جفف ورقة الكربون المطلية بالمحفز تحت مصباح أشعة تحت حمراء في وسط هوائي للحصول على Co3O4 قطب كهربائي
  4. للمعالجة المسبقة لغشاء التبادل الأنيوني (FAB-PK-130)، يُنقع الغشاء في محلول NaCl بتركيز 0.5 مولار عند 25 °C لمدة 24 ساعة ثم اشطفه بالماء منزوع الأيونات (DI water). انقع FAB-PK-130 في محلول KOH بتركيز 1 مولار عند 25 °C لمدة 36 ساعة، ثم تُشطف بالماء منزوع الأيونات (DI water) قبل الاستخدام.
    تنبيه: هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) مادة مسببة للتآكل بشدة. يجب ارتداء القفازات الواقية والنظارات الواقية عند التعامل معها. قم بإذابة هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) ببطء في الماء مع التقليب لتجنب التوليد المفرط للحرارة.
  5. ضع الـ Co3أو4 قطب كهربائي وقطب مرجعي من الفضة/كلوريد الفضة (Ag/AgCl) في حجرة واحدة من خلية التدفق كأنود، وشبكة من البلاتين (Pt) في الحجرة الأخرى ككاثود، يفصل بينهما غشاء من نوع FAB-PK-130.
  6. أضف 5.61 جم من KOH، و0.74 مل من الجلسرين، و25 مجم من CuSO4·5 ساعات2O في 100 مل من الماء منزوع الأيونات لتحضير إلكتروليت قلوي (1 مولار KOH، و0.1 مولار جليسرول، و1 ملي مولار CuSO4)4 (بدرجة حموضة pH = 14).
  7. احقن 20 مل من الإلكتروليت في كل مقصورة من مقصورة الخلية التدفقية بمعدل تدفق قدره 10 مل/دقيقة−1 ومرور فقاعات من النيتروجين (N2) في الإلكتروليت2 بمعدل 40.0 سنتيمتر مكعب في الدقيقة (يتم مراقبته بواسطة متحكم تدفق الكتلة) لمدة ساعة واحدة لتكوين N2إلكتروليت مشبع.
    ملاحظة: توقف N₂ تصاعد الفقاعات قبل قياس التحليل الكهربائي.
  8. قم بزيادة الجهد المطبق تدريجيًا من 1.65 إلى 2.05 فولت. مقابلقطب الهيدروجين المرجعي العكوس (RHE). يتم التثبيت على كل جهد لمدة 15 دقيقة، وتسجيل استجابة قياس التيار الزمني المقابلة، وجمع المنتج السائل للتحليل عند نهاية كل خطوة تثبيت.
  9. تحديد تركيز HCOOH في المحلول الأنوليتي بعد التفاعل عن طريق 1طيف الرنين المغناطيسي النووي للهيدروجين (H-NMR) باستخدام طريقة المعيار الداخلي. قم بتحضير محلول معياري عن طريق إضافة 0.7 µL ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO) إلى 10 مل من D₂هـ. انقل 0.7 مل من الأنوليت (anolyte) باستخدام ماصة دقيقة سعة 1 مل، وأضف 0.3 مل من المحلول القياسي، ثم حلل العينة بواسطة الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (^1H-NMR).

5. التخليق الكهربائي لـ HCOOH عن طريق التحليل الكهربائي المزدوج لـ CO2RR-GOR

  1. ضع قطب OD-Bi ككاثود وقطب Co3O4 كأنود، مع الفصل بينهما باستخدام غشاء Nafion 117 وبدون قطب مرجعي.
  2. استخدم 0.5 M K₂SO₄ المعدل إلى pH 2 بواسطة H₂SO₄ كمحلول كاثوليت، واستخدم 1 M KOH المحتوي على 0.1 M glycerol و 1 mM CuSO₄ كمحلول أنوليت.
  3. قم بزيادة جهد الخلية المطبق تدريجيًا من 1.6 إلى 2.6 V. ثبّت كل جهد لمدة 15 min، وسجل الاستجابة الكرونوأمبيرومترية المقابلة، واجمع المنتج السائل لتحليله في نهاية كل خطوة تثبيت.
  4. قُم بتقدير تركيزات H2 و CO في التدفق الخارج باستخدام TCD و FID مع ميثانايزر (methanizer)، على التوالي.
  5. حدد تركيز HCOOH في الكاثوليت والأنوليت بعد التفاعل بواسطة 1H-NMR باستخدام طريقة المعيار الداخلي. حضّر محلولًا معياريًا بإضافة 0.7 µL dimethylsulfoxide (DMSO) إلى 10 mL D₂O. انقل 0.7 mL من الإلكتروليت باستخدام ماص دقيق (micropipette) سعة 1 mL، وأضف 0.3 mL من المحلول المعياري، ثم قم بالتحليل بواسطة ^1H-NMR.

6. حساب الأداء

  1. قم بتحويل الجهود المطبقة إلى مقياس RHE وفقاً لمعادلة نيرنست:
    figure-protocol-1 (1)
  2. احسب الكفاءة الفارادية (FE) المقابلة للمنتج الغازي كما يلي:
    figure-protocol-2 (2)
    حيث تمثل N عدد عمليات نقل الشحنة (H2: 2؛ CO: 2)؛ وC (ppm) تركيز المنتج الغازي؛ وv معدل تدفق CO2 بمقدار 0.5 sccs (ما يعادل 30.0 sccm)؛ وj (A) التيار في الوقت الفعلي أثناء عملية CO2RR؛ وF ثابت فاراداي (96485 C mol−1)؛ وvm الحجم المولي القياسي للغاز عند 1 bar و 298.15 K (24.8 L mol−1).
  3. احسب الكفاءة الفارادية (FE) لـ HCOOH كما يلي:
    figure-protocol-3 (3)
    حيث تمثل N عدد عمليات نقل الشحنة (HCOOH الناتج عن CO2RR: 2؛ HCOOH الناتج عن GOR: 8/3)؛ وV حجم الإلكتروليت (20 mL)؛ وC تركيز المنتجات؛ وQ شحنة التفاعل.
  4. احسب معدل إنتاج HCOOH كما يلي:
    figure-protocol-4 (4)
    حيث تمثل t زمن التفاعل؛ وS المساحة الهندسية للقطب العامل.
  5. احسب استهلاك الطاقة لـ HCOOH كما يلي:
    figure-protocol-5 (5)
    حيث تمثل U جهد الخلية المطبق؛ وM الكتلة المولية النسبية لـ HCOOH.

النتائج

يتم الحصول على محفز OD-Bi لتفاعل CO2RR ومحفز Co3O4 لتفاعل GOR من أقسام البروتوكول 1 و 2 على التوالي. ويُستدل على نجاح تحضير محفز OD-Bi من خلال نمط XRD نظيف يظهر فقط قمم Bi المعدنية ومورفولوجيا رقائق نانوية منتظمة دون تكتل ملحوظ (الشكل 1). يجب حماية المحفز من الأكسدة بعد التحضير. كما يجب أن يمتلك Co3O4 المحضر بنية سبينل مع قضبان نانوية متجانسة (الشكل 2)؛ حيث يشير وجود أطوار شوائب أو تكتل في القضبان النانوية إلى الحاجة لإعادة فحص ظروف الترسيب أو التكليس. تظهر النتائج التمثيلية لقياس 1H-NMR لتحديد HCOOH في الشكل 3. وتثبت النتائج الكهروكيميائية أن كل قطب كهربائي يظهر FEHCOOH ونشاطاً عالياً في نصف التفاعل الخاص به. تظهر منحنيات الفولتاميتري بالمسح الخطي (LSV)، و FEHCOOH، ومعدل الإنتاج، واستهلاك الطاقة لـ HCOOH عند فولتيات خلية مختلفة أثناء التحليل الكهربائي المزدوج لـ CO2RR-GOR في الشكل 4. ويوضح ذلك أن ربط GOR مع CO2RR يقلل من جهد بدء التفاعل، مما يحقق FEHCOOH ومعدلات إنتاج عالية عند زيادة فولتيات الخلية، على الرغم من ارتفاع استهلاك الطاقة وفقاً لذلك؛ وتشير الفولتيات العالية غير الطبيعية أو التيارات غير المستقرة إلى تدهور الغشاء، أو عبور الإلكتروليت، أو عدم كفاية إمدادات CO2.

figure-results-1
الشكل 1. توصيفات الحفاز OD–Bi. نمط XRD لـ (A) سلائف BiOCl و (B) OD-Bi NSs. (C) صورة TEM لـ OD-Bi NSs. تم الحصول على OD-Bi من خلال الاختزال الكهربائي لسلائف BiOCl ذات الوجه السائد (012)، مع الحفاظ على مورفولوجيا الصفائح النانوية. XRD = حيود الأشعة السينية؛ TEM = المجهر الإلكتروني النافذ؛ OD-Bi NSs = صفائح البزموت النانوية المشتقة من الأكسيد. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-2
الشكل 2. توصيفات المحفز Co3O4. (A) نمط XRD، و(B–C) صور SEM، و(D–E) خرائط EDS للمحفز Co3O4. أظهر المحفز Co3O4 أوجه (311) و(220) و(111) بشكل أساسي، واتخذ شكل قضبان نانوية. XRD = حيود الأشعة السينية؛ SEM = المجهر الإلكتروني الماسح؛ EDS = مطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-3
الشكل 3. الأداء الكهركيميائي المستقل لمحفز OD-Bi لاختزال CO في الوسط الحمضي2آر آر وشركاه (RR and Co)3أو4 محفز لتفاعل أكسدة الجلسرول (GOR) القلوي ضمن نظام ثلاثي الأقطاب. (A) 1طيف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (H-NMR) للإلكتروليت الكاثودي بعد CO2الرنين الرنيني عند -1.75 فولت مقابلالإبثيليوم التنفسي البشري (RHE).B) الكفاءة الفارادية للمنتجات و (ج) يرجى تزويدي بالنص المراد ترجمته. أنا مستعد لترجمة المحتوى العلمي والتعليمي الخاص بـ JoVE من الإنجليزية إلى العربية بدقة واحترافية وفقاً للمعايير التي حددتها.HCOOH للمحفز OD-Bi عند جهود مختلفة بعد CO2معدل التنفس. (د) 1طيف الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (H-NMR) للمحلول الأنودي بعد تفاعل تطور الغاز (GOR) عند 1.75 فولت مقابلإعادة التشكيل الوراثي. (هـ) FEHCOOH و (ف) جHCOOH من Co3O4 المحفز عند جهود مختلفة بعد تفاعل تطور الغلوكونات (GOR). تُعرض البيانات كمتوسط ± الانحراف المعياري (n = 3)، وتمثل أشرطة الخطأ الانحراف المعياري (SD). 1H-NMR = الرنين المغناطيسي النووي البروتوني؛ FE = الكفاءة الفارادية؛ جHCOOH = كثافة التيار الجزئية لحمض الفورميك HCOOH؛ RHE = قطب الهيدروجين العكوس؛ CO₂RR = تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون؛ GOR = تفاعل أكسدة الجلسرول. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

figure-results-4
الشكل 4. الأداء الكهروكيميائي لعملية التحليل الكهربائي المزدوجة CO2RR-GOR ضمن نظام ثنائي الأقطاب. (أ) منحنيات LSV على OD-Bi || Co3O4 مع وبدون 0.1 M من الجلسرول و 1 mM من CuSO4 عند معدل مسح قدره 50 mV s–1. (ب) FEHCOOH عند فولتيات خلية مختلفة لـ CO2RR عند الكاثود و GOR عند الأنود. (ج) معدل الإنتاج الإجمالي و (د) إجمالي استهلاك الطاقة للفورمات عند فولتيات خلية مختلفة. البيانات معروضة كمتوسط ± SD (n = 3)، حيث تمثل أشرطة الخطأ الانحراف المعياري (SD). LSV = فولتامتري المسح الخطي؛ FE = الكفاءة الفارادية لـ HCOOH؛ CO₂RR = تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون؛ GOR = تفاعل أكسدة الجلسرول؛ OER = تفاعل تطور الأكسجين. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

المناقشة

تظهر النتائج التمثيلية المعروضة في الشكل 1–4 توضيح التنفيذ الناجح لـ CO المقترح2بروتوكول التحليل الكهربائي المزدوج لتفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون وتفاعل تطور الأكسجين (RR-GOR) للتخليق الكهربائي المزدوج للفورمات. تتمثل الخطوة الحاسمة الأولى في تحضير حفاز OD-Bi. وقد أظهر السلف المُخلق عن طريق الترسيب الكيميائي قمم حيود مميزة تتوافق مع بلورات BiOCl (الشكل 1A). وبعد الاختزال الكهروكيميائي، اختفت هذه القمم وحلت محلها قمة bismuth المعدنية (الشكل 1B)، مما يشير إلى إعادة تشكيل BiOCl بالكامل إلى OD-Bi. وفي الوقت ذاته، تظهر صورة المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) (الشكل 1جأظهرت النتائج أن مورفولوجيا الصفائح النانوية لـ OD-Bi قد حُفظت جيداً بعد الاختزال الكهربائي. وتعد هذه الخصائص الهيكلية أساسية لأن سطح Bi المعدني المعاد بناؤه يوفر مواقع نشطة وفيرة للاختزال الانتقائي لـ CO2التحويل إلى فورمات. تحضير الحفاز الأنودي لـ Co3O4 وهو أمر على القدر ذاته من الأهمية لتحقيق أكسدة فعالة للجلسرول. وقد أظهر نمط حيود الأشعة السينية (XRD) إمكانية فهرسة قمم الحيود إلى هيكل السبينايل Co3أو4 (الشكل 2أ)، مما يؤكد نجاح تخليق العامل الحفاز. وتظهر صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) (الشكل 2ب،جكشف كذلك عن مورفولوجيا موحدة من القضبان النانوية، بينما أظهرت خرائط تشتت الطاقة بالأشعة السينية (EDS) (الشكل 2D،هـأظهرت النتائج توزيعاً عنصرياً متجانساً في جميع أنحاء العامل الحفاز. وفي حال ظهور قمم شوائب إضافية في نمط حيود الأشعة السينية (XRD) أو ملاحظة تكتل شديد للقضبان النانوية، يجب فحص ظروف الترسيب أو التكليس بعناية.

تم بعد ذلك استكشاف التقييم المستقل للأداء الكهروكيميائي لمحفزات الكاثود والأنود. استُخدمت طريقة 1H-NMR والمعيار الداخلي للكشف عن تركيز HCOOH أثناء تفاعل CO2RR الكاثودي باستخدام محفز OD-Bi (الشكل 3A). علاوة على ذلك، أظهر جهاز TCD وFID مع جهاز الميثان (methanizer) كمية صغيرة من النواتج الثانوية، بما في ذلك CO وH2. أظهر محفز OD-Bi كفاءة فارادية FEHCOOH عالية تجاوزت 90% عند نطاق واسع من الجهد من -1.65 V إلى -2.05 V vs. RHE مع أداء ضعيف في تطور الهيدروجين (الشكل 3B). ووصل الحد الأقصى لـ jHCOOH إلى -631 mA cm–2 عند -2.05 V vs. RHE (الشكل 3C). كما اعتُمدت طريقة 1H-NMR لتحديد تركيز HCOOH لتفاعل GOR الأنودي باستخدام محفز Co3O4 (الشكل 3D)، وهو ما أظهر أن HCOOH كان المنتج السائد مع عدم ملاحظة أي نواتج ثانوية أخرى. يتم اختزال Cu2+ إلى Cu+ بواسطة وسيط الجلسرول، ويعمل Cu+ الممتز على تعزيز نزع البروتون من OH على Co3O4، مما يمنع إعادة تشكله إلى CoOOH النشط في تفاعل OER17. وتعمل دورة الأكسدة والاختزال العكوسة Cu2+/Cu+ على تثبيط تفاعل تطور الأكسجين المتنافس بشكل فعال، مما يعزز الكفاءة الفارادية (FE) لحمض الفورميك17. ويمكن أن تحقق FEHCOOH قيمة ذروة بلغت 93% عند 1.75 V vs. RHE مع ذروة jHCOOH بلغت 251 mA cm–2 عند 2.05 V vs. RHE (الشكل 3E و 3F). وتثبت الكفاءة الفارادية FE و jHCOOH المعتمدتان على الجهد أن كلا المحفزين يظهران نشاطًا عاليًا ضمن نافذة الجهد التي تم استقصاؤها.

تمثل عملية تشغيل نظام التحليل الكهربائي المقترن CO2RR-GOR الجزء الأكثر أهمية في البروتوكول. وقد أظهرت منحنيات LSV أن استبدال OER بـ GOR أدى إلى خفض جهد البدء بشكل كبير من 1.68 V إلى 1.18 V مع كثافة تيار أعلى (الشكل 4A)، مما يثبت الميزة الطاقية لاستراتيجية التحليل الكهربائي المقترن11. وحقق النظام المقترن زيادة تدريجية في FE ومعدل إنتاج مرتفع من HCOOH مع زيادة جهد الخلية (الشكل 4B و 4C). وعلى العكس من ذلك، زاد استهلاك الطاقة لإنتاج HCOOH مع زيادة نطاق جهد الخلية (الشكل 4D)، وهو ما يمكن عزوه إلى التفاعل الجانبي. وبناءً على ذلك، يجب تقييم جهد الخلية المناسب لتحقيق توازن بين FE، ومعدل الإنتاج، واستهلاك الطاقة. وتؤكد هذه النتائج أن تكوين الإلكتروليت غير المتماثل (حمض-قلوي) يجمع بفعالية بين الميزة الديناميكية الحرارية لأكسدة الجلسرول والقوة الدافعة الإضافية الناتجة عن طاقة تعادل الحمض والقاعدة31. وفي حال ملاحظة جهد خلية مرتفع بشكل غير عادي أو انتقائية منخفضة لـ HCOOH (أي عدم استقرار مرضٍ) أثناء التحليل الكهربائي المقترن، فقد تشمل الأسباب المحتملة تدهور الغشاء، أو تداخل الإلكتروليت، أو عدم كفاية إمدادات CO2، أو تدهور محفز أي من القطبين. ويتمثل القيد الرئيسي في تعادل الحمض والقاعدة عبر الغشاء بمرور الوقت، مما يتطلب استبدال الإلكتروليت بشكل دوري.

باختصار، يتم تقديم استراتيجية قابلة للتكرار وموفرة للطاقة للتخليق الكهربائي المزدوج للفورمات عن طريق ربط تفاعل CO2RR الحمضي مع تفاعل GOR القلوي في خلية تدفق غير متماثلة (حمض-قاعدة). ومن خلال دمج OD-Bi NSs للتحويل الانتقائي لـ CO₂ إلى فورمات مع محفزات Co3O4 المعززة بـ Cu2+ لتفاعل GOR، يحقق نظام التحليل الكهربائي المزدوج إنتاجية عالية من الفورمات واستهلاكاً أقل للكهرباء مقارنة بتكوينات CO2RR-OER التقليدية. يوفر هذا البروتوكول طريقة تفصيلية ومعيارية للتحكم الدقيق في تخليق المحفز، وتصنيع أقطاب كهربائية موحدة، وتحضير الإلكتروليت، والتقدير الكمي الدقيق للمنتج. علاوة على ذلك، توفر التوصيفات الهيكلية التمثيلية والأداء الكهركيميائي المعروض مراجع عملية لتقييم جودة المحفز واستكشاف أخطاء الانحرافات التجريبية وإصلاحها. وبالإضافة إلى مجموعة المحفزات المحددة الموصوفة، فإن تصميم خلية التدفق النمطي واستراتيجية الإلكتروليت غير المتماثلة (حمض-قاعدة) يوفران منصة متعددة الاستخدامات يمكن توسيعها لتشمل محفزات CO2RR أخرى وتفاعلات الأكسدة المصعدية، مما يمهد الطريق لتقنيات التحليل الكهربائي المزدوج القابلة للتطوير نحو الاستخدام المستدام للكربون. وبناءً على ذلك، يقدم هذا البروتوكول منصة متعددة الاستخدامات لتطوير تقنيات التحليل الكهربائي المزدوج القابلة للتوسع من أجل الاستخدام المستدام للكربون والتصنيع الكهركيميائي الموفر للطاقة.

الإفصاحات

يصرح المؤلفون بعدم وجود تضارب في المصالح المالية. لم يتم استخدام أي أدوات ذكاء اصطناعي في إعداد هذه المخطوطة أو إنشاء الأشكال التوضيحية الخاصة بها.

شكر وتقدير

تم دعم هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (رقم 22409031، 22509185)، ومؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة Zhejiang (رقم LQN26B030010).

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
قطب الفضة/كلوريد الفضة المرجعيGaossUnionR1038
غاز الأرجونغاز خلط خاصmx00799.99%
Bi(NO₃)₃3)3·5 ساعات2أوSinopharm Chemical Reagent80018318
Co(NO₃)₂3)2·6 ساعات2أوSinopharm Chemical Reagent10007316
غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2)خلط الغازات الخاصةmx01099.99%
CuSO4·5H2OSinopharm Chemical Reagent10008218
د2أوعلاء الدينD113906≥99% ذري D
تشتت D-520Alfa Aesar11265338تُستخدم كأيونومير في تحضير حبر الحفاز
ماء منزوع الأيوناتواهاهاGB 17323
ثنائي ميثيل سلفوكسيدعلاء الدينD274279درجة فائقة النقاء
محطة عمل كهروكيميائيةكيسترCS310H
إيثانولSinopharm Chemical Reagent10009218
غشاء FAB-PK-130Fumatech130تُستخدم كغشاء للتبادل الأنيوني
كروماتوغرافيا الغازجهاز RuiminGC2060
جليسرولماكلينG810575
هـ2 غازغازات خاصة ممزوجةmx01899.99%
هـ2ثاني أكسيد الكبريت4Sinopharm Chemical Reagent10021628995.0<نص بديل للصورة="المعادلة 6" يرجى تزويدي بالنص المصدر (src) لكي أبدأ في ترجمته إلى اللغة العربية وفقاً للمعايير العلمية والأكاديمية المحددة."/files/ftp_upload/73822/73822eq6.jpg" النمط="الهامش: تلقائي؛"/>98.0%
HClكواشف سينوفارم الكيميائية (Sinopharm Chemical Reagent)10011018636.0<نص بديل للصورة="المعادلة 6" يرجى تقديم النص المصدر الذي ترغب في ترجمته."/files/ftp_upload/73822/73822eq6.jpg" النمط="هامش: تلقائي؛"/>38.0%
ك2ثاني أكسيد الكبريت4Sinopharm Chemical Reagent10017918
KClكواشف سينوفارم الكيميائية (Sinopharm Chemical Reagent)10016318
KOHكاشف سينوفارم الكيميائي (Sinopharm Chemical Reagent)10017008
غشاء Nafion 117مخزن خلايا الوقود117تُستخدم كغشاء لتبادل البروتونات
مقياس الأس الهيدروجيني (pH meter)أجهزة SANXIN APERASX-620معايرة بنقطتين قبل الاستخدام
شبكة البلاتين (Pt mesh)GaossUnionPt1030-1
SGL Carbonمخزن خلايا الوقود28 قبل الميلاد1 سم × 3 سم
أوكسالات الصوديومBide PharmatechBD151560
غاز قياسيغاز Maotu RundaمُخصصةH2: 1000 ppm؛ CO: 1001 ppm؛ C2H4: 1007 ppm؛ CH4: 1000 ppm؛ CO2: 1001 ppm؛ موازن بـ Ar
مجفف تفريغ المركبات الجوية غير المأهولة (UAV)UBS-24DZ-A

المراجع

  1. Wang H, Kang X, Han B. Optimizing CO2 electroreduction: theoretical insights for enhancing efficiency across elementary steps. Chem Soc Rev. 2025;54(21):10156-10244.
  2. Liu Z, et al. Engineering d-orbital of copper single-atom sites toward industrial-level electrocatalytic methanation. Nat Commun. 2026;17:2723.
  3. Kong S, Lv X, Wang J. Effects of the delocalization state on electrocatalytic CO2 reduction: a mini-review. EES Catal. 2024;2(2):556-563.
  4. Wang M, et al. f-p-d coupling-induced bonding covalency boosts C–C coupling in electrocatalytic CO2 reduction over Er–O–Cu sites. J Energy Chem. 2025;108:239-245.
  5. Li P, et al. Ampere-Level Syngas Synthesis by Controllable Active Hydrogen Supply to Regulate CO2 Reduction Depth on High-Entropy (CuZnAlZrCe)O2 Oxide Nanosheets. Angew Chem Int Ed. 2026;65(29):e3290876.
  6. Wang J, et al. Stabilizing Lattice Oxygen of Bi2O3 by Interstitial Insertion of Indium for Efficient Formic Acid Electrosynthesis. Angew Chem Int Ed. 2025;64(13):e202423658.
  7. Liu K, et al. Synergistic Acceleration of CO2 Electroreduction Kinetics by Oxygen Vacancy and Heterogeneous Interface for Efficient HCOOH Production. Adv Funct Mater. 2025;35(34):2424357.
  8. Lv X, et al. Switching CO2 Electroreduction Selectivity on Silver Nanoparticles from CO to Formate by Polyamidoamine Encapsulation. Small. 2025;21(52):e09724.
  9. Chen J, et al. The Reconstruction of Bi2Te4O11 Nanorods for Efficient and pH-universal Electrochemical CO2 Reduction. Angew Chem Int Ed. 2024;63(41):e202408849.
  10. Wang JJ, et al. Selective Electrosynthesis of Ammonia via Sequential Electron-Proton Transfer. J Am Chem Soc. 2026;148(20):20570-20581.
  11. Li X, Chen Q, Sun W, He C, Wen Z. Electron-Efficient Co-Electrosynthesis of Formates from CO2 and Methanol Feedstocks. Angew Chem Int Ed. 2024;63(45):e202412410.
  12. Wang M, et al. From Pollution to Value: Electrochemical Systems for Transforming Flue Gas into Chemicals and Fuels. Adv Mater. 2025;37(50):e09581.
  13. Gao L, Cui X, Sewell CD, Li J, Lin Z. Recent advances in activating surface reconstruction for the high-efficiency oxygen evolution reaction. Chem Soc Rev. 2021;50(15):8428-8469.
  14. Chen M, et al. Electrocatalytic methane oxidation to formate on magnesium based metal-organic frameworks. J Colloid Interface Sci. 2022;623:348-353.
  15. Zhang Q, et al. Coupling of electrocatalytic CO2 reduction and CH4 oxidation for efficient methyl formate electrosynthesis. Energy Environ Sci. 2024;17(6):2309-2314.
  16. Hou B, et al. Efficient Polyethylene Furanoate Synthesis From CO2 and 5-(Hydroxymethyl)furfural. ChemSusChem. 2026;19(13):e70845.
  17. Li Y, et al. Efficient glycerol electro-oxidation at an industrial-level current density. Nat Sustain. 2025;8(12):1524-1532.
  18. Chen Y, et al. Boric Acid-Coordinated Electrooxidation of Glycerol to Hydroxypyruvic Acid and Coupling With Hydroxylamine Reduction to Serine. Small. 2026;22(34):e73570.
  19. Zhang Y, et al. Built-in electric field engineering in CO2N0.67/CoP heterostructures for glycerol electrooxidation-assisted hydrogen production. Nat Commun. 2026;17:4087.
  20. Lyu N, et al. Electrocatalytic Glycerol Upgrading into Glyceric Acid on Ni3Sn Intermetallic Compound. Small. 2024;20(35):e2401872.
  21. Ding J, et al. Various energy-driven high-value-added oxidation reactions in CO2 reduction systems. Chem Soc Rev. 2026;55(9):4939-4959.
  22. Ma J, et al. Spin-State Engineering of Co3+ for Optimized Interfacial Microenvironment and Enhanced Glycerol Electrooxidation. Adv Funct Mater. 2026;36(23):e22517.
  23. Binyamin S, et al. Bimetallic 2D Metal−Organic Framework Precatalysts That Enable Electrochemical Glycerol Oxidation. ACS Catal. 2026;16(15):14967-14978.
  24. Fernández-Caso K, et al. Low nickel loading carbon microfibers fabricated by electrospinning for the glycerol electrooxidation coupled with the continuous gas-phase CO2 reduction reaction towards formate. J Power Sources. 2025;631:236260.
  25. Fernández-Caso K, et al. Coupling glycerol oxidation reaction using Ni-Co foam anodes to CO2 electroreduction in gas-phase for continuous co-valorization. Chem Eng J. 2024;480:147908.
  26. Peña-Rodríguez A, et al. Single-Pass Electrooxidation of Glycerol on Bismuth-Modified Platinum Electrodes as an Anodic Process Coupled to the Continuous CO2 Electroreduction toward Formate. ACS Sustain Chem Eng. 2024;12(9):3671-3679.
  27. Fernández-Caso K, et al. Continuous carbon dioxide electroreduction to formate coupled with the single-pass glycerol oxidation to high value-added products. J CO2 Util. 2023;70:102431.
  28. Molera M, et al. Gold-Indium Electrocatalysts for the Selective Oxidation of Glycerol Coupled with CO2 Reduction. ChemSusChem. 2025;18(12):e202402378.
  29. Zou X, et al. Covalently Anchored Cationic Groups Tailor Electric Double Layer for Supporting-Electrolyte-Free CO2 Reduction in Acidic Media. Angew Chem Int Ed. 2026;65(2):e18465.
  30. Ma M, et al. Spatial Ion Redistribution Enables Stable Ethylene Synthesis in Acidic CO2 Electrolysis. J Am Chem Soc. 2026;148(7):7159-7170.
  31. Ding Y, Cai P, Wen Z. Electrochemical neutralization energy: from concept to devices. Chem Soc Rev. 2021;50(3):1495-1511.

إعادة الطباعة والأذونات

استكشف المزيد من المقالات

الاختزال الكهربائي لثاني أكسيد الكربونالأكسدة الكهربائية للجلسرولالتحليل الكهربائي الحمضي القلويتكوين خلية التدفقنانو صفائح OD-Biقضبان Co3O4 النانويةالقوة الدافعة الكهروكيميائيةإنتاج الفورماتانتقائية المحفز

تم نشر هذه المقالة

الفيديو قريباً