ES3019211T3 - Iron and cobalt molecular complexes for the selective electrochemical reduction of co2 into co, with flow cells - Google Patents
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Abstract
La presente invención se refiere a un electrolizador de celda de flujo (1) para reducir electroquímicamente el gas reactivo CO 2 en CO gaseoso y H2 gaseoso, con un compartimento anódico que comprende un ánodo (2) con un colector de corriente, y sobre el colector de corriente, al menos un catalizador para oxidar electroquímicamente H2O a O 2 , una solución de electrolito anódico (3) a un caudal controlado Q a , que comprende: un disolvente, y un electrolito anódico, siendo el disolvente agua a pH neutro o básico; un compartimento catódico que comprende una solución de electrolito catódico (6), a un caudal controlado Q c , que comprende: el disolvente, y un electrolito catódico, siendo el disolvente agua a pH neutro o básico, un cátodo poroso de difusión de gases (9) que comprende, sobre un colector de cátodo de corriente poroso de difusión de gases electroquímicamente inerte, al menos un catalizador molecular sobre una superficie S para reducir electroquímicamente el CO 2 en CO, con una subproducción de H 2 , eligiéndose el catalizador molecular entre la lista con el metal elegido entre: Hierro, Cobalto: porfirina metálica con uno o varios grupos + N(alquilo C 1 - C 4) 3 , ftalocianina metálica, ftalocianina metálica con uno o varios grupos + N(alquilo C 1 - C 4) 3 , o cuaterpiridina de cobalto. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)The present invention relates to a flow cell electrolyzer (1) for electrochemically reducing reactive gas CO 2 into gaseous CO and gaseous H2, with an anodic compartment comprising an anode (2) with a current collector, and on the current collector, at least one catalyst for electrochemically oxidizing H2O to O 2 , an anodic electrolyte solution (3) at a controlled flow rate Q a , comprising: a solvent, and an anodic electrolyte, the solvent being water at neutral or basic pH; a cathode compartment comprising a cathode electrolyte solution (6), at a controlled flow rate Q c , comprising: the solvent, and a cathode electrolyte, the solvent being water at neutral or basic pH, a porous gas diffusion cathode (9) comprising, on an electrochemically inert porous gas diffusion cathode current collector, at least one molecular catalyst on a surface S for electrochemically reducing CO 2 into CO, with a by-production of H 2 , the molecular catalyst being chosen from the list with the metal chosen from: Iron, Cobalt: metallic porphyrin with one or more + N(C 1 - C 4 alkyl) 3 groups, metallic phthalocyanine, metallic phthalocyanine with one or more + N(C 1 - C 4 alkyl) 3 groups, or cobalt quaterpyridine. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Complejos moleculares de hierro y cobalto para la reducción electroquímica selectiva de CO2 a CO, con celdas de flujo Molecular complexes of iron and cobalt for the selective electrochemical reduction of CO2 to CO, with flow cells
Campo de la invenciónField of the invention
La presente invención se refiere a complejos moleculares de hierro y cobalto como catalizadores para la reducción electroquímica altamente selectiva de CO2 a CO, con celdas electroquímicas que los comprenden. The present invention relates to molecular complexes of iron and cobalt as catalysts for the highly selective electrochemical reduction of CO2 to CO, with electrochemical cells comprising them.
Estado de la técnicaState of the art
A pesar del uso cada vez más frecuente de energías renovables para producir electricidad y evitar la producción concomitante de CO2, es razonable considerar que las emisiones de CO2, en particular las resultantes de la producción de energía, seguirán siendo altas en las próximas décadas. Por tanto, parece necesario encontrar formas de capturar el gas CO2, ya sea con fines de almacenamiento o valorización. Despite the increasing use of renewable energy to generate electricity and avoid the associated production of CO2, it is reasonable to assume that CO2 emissions, particularly those resulting from energy production, will remain high in the coming decades. Therefore, it seems necessary to find ways to capture CO2 gas, whether for storage or recovery purposes.
De hecho, el CO2 también puede verse, no como un desecho, sino, por el contrario, como una fuente de carbono. Por ejemplo, se ha previsto la prometedora producción de combustibles sintéticos a partir de CO2 y agua. In fact, CO2 can also be viewed not as a waste product, but rather as a source of carbon. For example, the promising production of synthetic fuels from CO2 and water has been envisioned.
Sin embargo, el CO2 presenta una baja reactividad química: romper sus enlaces requiere una energía de 724 kJ/mol. Además, la reducción electroquímica de CO2 a un electrón se produce a un potencial muy negativo, lo que requiere una entrada de energía elevada y conduce a la formación de un anión radical altamente energético (CO2^-). Por tanto, la catálisis parece obligatoria para reducir el CO2 e impulsar el proceso hacia un proceso de reducción multielectrónico y multiprotónico, a fin de obtener moléculas termodinámicamente estables. Además, la reducción electroquímica directa del CO2 en los electrodos inertes es poco selectiva, produciendo ácido fórmico en el agua, mientras que produce una mezcla de oxalato, formiato y monóxido de carbono en disolventes de baja acidez como la DMF. El documento US 2018/066370 describe un electrolizador de celda de flujo para reducir electroquímicamente un reactante gaseoso que comprende CO2 a CO gaseoso. However, CO2 exhibits low chemical reactivity: breaking its bonds requires an energy of 724 kJ/mol. Moreover, the electrochemical reduction of CO2 to one electron occurs at a very negative potential, requiring a high energy input and leading to the formation of a highly energetic radical anion (CO2^-). Therefore, catalysis appears mandatory to reduce CO2 and drive the process towards a multi-electron and multi-proton reduction process, in order to obtain thermodynamically stable molecules. Moreover, the direct electrochemical reduction of CO2 at inert electrodes is poorly selective, producing formic acid in water, while it produces a mixture of oxalate, formate, and carbon monoxide in low-acid solvents such as DMF. US 2018/066370 describes a flow cell electrolyzer for electrochemically reducing a gaseous reactant comprising CO2 to CO gas.
Por tanto, la reducción electroquímica del CO2 requiere una activación catalítica para reducir el coste energético del procesamiento y aumentar la selectividad de las especies formadas en el proceso de reacción. El documento US 2018/023204, Tsukasa Yoshida y col. (JEAC, (01-01-1995), páginas 209-225), Min Wang y col. (Angewandte Chemie, edición internacional, vol. 57, n.° 26, (22-05-2018), páginas 7769-7773), describen varios catalizadores. Therefore, electrochemical reduction of CO2 requires catalytic activation to reduce the energy cost of the process and increase the selectivity of the species formed in the reaction process. Several catalysts are described in US 2018/023204, Tsukasa Yoshida et al. (JEAC, (1995-01-01), pp. 209-225), Min Wang et al. (Angewandte Chemie, International Edition, Vol. 57, No. 26, (2018-05-22), pp. 7769-7773).
Los catalizadores moleculares que combinan una alta selectividad y una alta densidad de corriente para la reducción electroquímica del CO2 a CO u otras materias primas químicas tienen una gran demanda. Los catalizadores de metales de transición moleculares ofrecen la clara ventaja de permitir el ajuste fino de las esferas de coordinación primaria y secundaria mediante la manipulación del entorno quelante y los efectos estéricos y electrónicos de los ligandos. La capacidad de mejorar la eficiencia catalítica y la selectividad del producto mediante la optimización racional de la estructura del ligando es una característica a la que no pueden acceder los catalizadores de estado sólido comunes en las unidades de electrolizador a escala piloto. 1-2 Actualmente existe una gama de catalizadores moleculares conocidos, incluyendo los basados en metales nobles (por ejemplo, Ru, Ir y Re) y abundantes en la tierra (por ejemplo, Co, Ni, Fe, Mn y Cu). 1-9 Estos catalizadores normalmente provocan una reducción de dos electrones del CO2 a CO o formiato con eficiencias razonables, pero en disolventes orgánicos. Experimentos de Furuya y col. (JEAC, vol. 271, n.° 1-2, (01-01-1989), páginas 181-191) y de Magdesieva y col. (JES, vol. 149, n.° 6, (01-01-2002), página D89), se refieren a los electrodos de difusión de gas catalizados por porfirina metálica y ftalocianina. Molecular catalysts that combine high selectivity and high current density for the electrochemical reduction of CO2 to CO or other chemical feedstocks are in high demand. Molecular transition metal catalysts offer the distinct advantage of enabling fine-tuning of the primary and secondary coordination spheres by manipulating the chelating environment and the steric and electronic effects of the ligands. The ability to improve catalytic efficiency and product selectivity through rational optimization of the ligand structure is a feature not accessible by common solid-state catalysts in pilot-scale electrolyzer units. 1-2 There is currently a range of known molecular catalysts, including those based on noble metals (e.g., Ru, Ir, and Re) and earth-abundant ones (e.g., Co, Ni, Fe, Mn, and Cu). 1-9 These catalysts typically cause a two-electron reduction of CO2 to CO or formate with reasonable efficiencies, but in organic solvents. Experiments by Furuya et al. (JEAC, vol. 271, no. 1-2, (01-01-1989), pages 181-191) and Magdesieva et al. (JES, vol. 149, no. 6, (01-01-2002), page D89), refer to metal porphyrin and phthalocyanine catalyzed gas diffusion electrodes.
La integración de las moléculas descritas anteriormente mediante la aplicación de películas de carbono porosas delgadas, como polvo de carbono, nanotubos de carbono o grafeno para formar materiales catalíticos híbridos, ha demostrado ser una estrategia prometedora para lograr selectivamente la producción de CO en condiciones acuosas puras. Se han obtenido rendimientos razonables en condiciones casi neutras (pH 7-7,5) con buena selectividad.<1011>Si bien estos rendimientos representan avances para los catalizadores de CO2RR (reacción de reducción de CO2), para el funcionamiento comercial se requieren densidades de corriente mucho más altas, ya que son altamente selectivos y funcionan al mismo tiempo con bajos sobrepotenciales. Además, estas densidades de corriente permanecen muy por debajo de las obtenidas con nanomateriales de Ag<1213>o Au<14>en estado sólido del estado de la técnica, y se ha informado que alcanzan >150 mA/cm<2>The integration of the above-described molecules by applying thin porous carbon films such as carbon powder, carbon nanotubes, or graphene to form hybrid catalytic materials has proven to be a promising strategy to selectively achieve CO production under pure aqueous conditions. Reasonable yields have been obtained under near-neutral conditions (pH 7–7.5) with good selectivity. While these yields represent advances for CO2RR (CO2 reduction reaction) catalysts, much higher current densities are required for commercial operation, as they are highly selective while operating at low overpotentials. Moreover, these current densities remain well below those obtained with state-of-the-art solid-state Ag<1213>or Au<14>nanomaterials, and have been reported to reach >150 mA/cm<2>
Resumen de la invenciónSummary of the invention
La invención se refiere a un electrolizador de celda de flujo para reducir electroquímicamente el gas reactivo CO2 a CO gaseoso y H2 gaseoso, como se establece en las reivindicaciones adjuntas. The invention relates to a flow cell electrolyzer for electrochemically reducing reactive gas CO2 to gaseous CO and gaseous H2, as set forth in the appended claims.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Otras ventajas y características de los dispositivos y métodos descritos resultarán evidentes a partir de la lectura de la descripción, ilustrada por las siguientes Figuras, donde: Other advantages and features of the devices and methods described will become apparent from reading the description, illustrated by the following Figures, where:
Figura 1. Densidad de corriente y selectividad de CO registradas a diversos potenciales. Registrado en NaHCO<3>0,5 M saturado con CO2 (pH 7,3). Cada escalón de potencial se mantuvo durante 20 minutos. Figure 1. Current density and CO selectivity recorded at various potentials. Recorded in 0.5 M NaHCO<3> saturated with CO2 (pH 7.3). Each potential step was held for 20 minutes.
Figura 2. La densidad de corriente y la selectividad de CO registradas durante una electrólisis de 24 horas a -0,78 V frente a RHE en NaHCO<3>0,5 M saturado con CO2. El potencial de celda era de 3,41 V. Figure 2. Current density and CO selectivity recorded during a 24-h electrolysis at -0.78 V versus RHE in 0.5 M NaHCO<3> saturated with CO2. The cell potential was 3.41 V.
Figura 3. El potencial aplicado y la selectividad de CO registrados en condiciones cronopotenciométricas a 50 mAcirr<2>durante 3 horas en NaHCO<3>0,5 M saturado con CO2. El potencial de celda era de 4,05 V. Figure 3. The applied potential and CO selectivity recorded under chronopotentiometric conditions at 50 mAcirr<2> for 3 hours in 0.5 M NaHCO<3> saturated with CO2. The cell potential was 4.05 V.
Figura 4. El potencial aplicado y la selectividad de CO registrados en condiciones cronopotenciométricas a 50 mAcirr<2>durante 3 horas en NaHCO<3>1,0 M saturado con CO2. El potencial de celda era de 3,46 V. Figure 4. The applied potential and CO selectivity recorded under chronopotentiometric conditions at 50 mAcirr<2> for 3 hours in 1.0 M NaHCO<3> saturated with CO2. The cell potential was 3.46 V.
Figura 5. (A) Densidad de corriente y selectividad de CO a diversas temperaturas de celda. Registrado en NaHCO<3>0,5 M saturado con CO2. (B) Gráfico de Arrhenius construido a partir de los valores de TOF calculados para cada escalón de temperatura en (A). Figure 5. (A) Current density and CO selectivity at various cell temperatures. Recorded in 0.5 M NaHCO<3> saturated with CO2. (B) Arrhenius plot constructed from the TOF values calculated for each temperature step in (A).
Figura 6. Densidad de corriente y selectividad de CO registradas a diversos potenciales. Registrado en una disolución de KOH 1,0 M (pH 14). Cada escalón de potencial se mantuvo durante 20 minutos. Figure 6. Current density and CO selectivity recorded at various potentials. Recorded in a 1.0 M KOH solution (pH 14). Each potential step was held for 20 minutes.
Figura 7. El potencial aplicado y la selectividad de CO se registraron en condiciones cronopotenciométricas a 27 mAcirr<2>durante 24 horas en KOH 1,0 M. El potencial de celda era de 1,87 V. Figure 7. The applied potential and CO selectivity were recorded under chronopotentiometric conditions at 27 mAcirr<2> for 24 hours in 1.0 M KOH. The cell potential was 1.87 V.
Figura 8. El potencial aplicado y la selectividad de CO se registraron en condiciones cronopotenciométricas a 50 mAcirr<2>durante 3 horas en KOH 1,0 M. El potencial de celda era de 2,36 V. Figure 8. The applied potential and CO selectivity were recorded under chronopotentiometric conditions at 50 mAcirr<2> for 3 hours in 1.0 M KOH. The cell potential was 2.36 V.
Figura 9. Experimento de potencial escalonado, que proporciona la densidad de corriente registrada a diversos potenciales. Registrada en NaHCO<3>0,5 M saturado con CO2 (pH 7,3). Cada escalón de potencial se mantuvo durante 20 minutos. Figure 9. Step potential experiment, giving the current density recorded at various potentials. Recorded in 0.5 M NaHCO<3> saturated with CO2 (pH 7.3). Each potential step was held for 20 minutes.
Figura 10. Experimento de potencial escalonado, que proporciona la densidad de corriente registrada a diversos potenciales. Registrada en NaHCO<3>0,5 M saturado con argón (pH 7,3) en una película formulada con el ligando de porfirina no metalado. Cada escalón de potencial se mantuvo durante 20 minutos. Figure 10. Step potential experiment, giving the recorded current density at various potentials. Recorded in argon-saturated 0.5 M NaHCO<3> (pH 7.3) on a film formulated with the non-metallated porphyrin ligand. Each potential step was held for 20 min.
Figura 11. La densidad de corriente y la selectividad de CO registradas durante una electrólisis de 6 horas a -0,78 V frente a RHE en NaHCO<3>1 M saturado con CO2. Figure 11. Current density and CO selectivity recorded during a 6-h electrolysis at -0.78 V vs. RHE in CO2-saturated 1 M NaHCO<3>.
Figura 12. Experimento de potencial escalonado, que proporciona la densidad de corriente registrada a diversos potenciales. Registrada en KOH 1 M (pH 14). Cada escalón de potencial se mantuvo durante 20 minutos. Figure 12. Step potential experiment, giving the recorded current density at various potentials. Recorded in 1 M KOH (pH 14). Each potential step was held for 20 minutes.
Figura 13. Experimento de potencial escalonado, que proporciona la densidad de corriente registrada a diversos potenciales. Registrada en KOH 1 M (pH 7,3) en una película formulada con el ligando de porfirina no metalado. Cada escalón de potencial se mantuvo durante 20 minutos. Figure 13. Step potential experiment, giving the recorded current density at various potentials. Recorded in 1 M KOH (pH 7.3) on a film formulated with the non-metallated porphyrin ligand. Each potential step was held for 20 min.
Figura 14. Vista en sección transversal (a) y esquema general (b) de la celda de flujo del electrolizador de CO2. Figura 15. a: Densidad de corriente para la producción de CO en función del potencial. b: Electrólisis a granel a potencial fijo (E= -0,72 V frente a RHE) para el CoPc2 en negro de carbono depositado sobre papel carbón como material catódico, en KOH 1 M. c: Perfiles de Co K-edge XANES de CoPc2 (puntos negros) y CoPc2 en negro de carbono antes y después de la electrólisis (E = -0,72 V frente a RHE) superpuestos, en una disolución de KOH 1 M. Figura 16. Configuración del electrolizador de celda de flujo. Figure 14. Cross-sectional view (a) and general schematic (b) of the CO2 electrolyzer flow cell. Figure 15. a: Current density for CO production as a function of potential. b: Bulk electrolysis at fixed potential (E= -0.72 V vs. RHE) for CoPc2 on carbon black deposited on carbon paper as cathode material, in 1 M KOH. c: Co K-edge XANES profiles of CoPc2 (black dots) and CoPc2 on carbon black before and after electrolysis (E= -0.72 V vs. RHE) overlaid, in 1 M KOH solution. Figure 16. Flow cell electrolyzer setup.
Figura 17. Voltametría cíclica repetitiva para películas de CoPc1 en MWCNT (parte inferior) y CoPc2 en MWCNT (parte superior) depositados sobre un electrodo de carbono vítreo (d = 3 mm) en una disolución de NaHCO<3>0,5 M saturada con CO2 (pH 7,3); negro, primer barrido; gris, segundo barrido), en v = 0,1 V s<-1>. Figure 17. Repetitive cyclic voltammetry for CoPc1-on-MWCNT (bottom) and CoPc2-on-MWCNT (top) films deposited on a glassy carbon electrode (d = 3 mm) in a CO2-saturated 0.5 M NaHCO<3> solution (pH 7.3); black, first scan; gray, second scan), at v = 0.1 V s<-1>.
Figura 18. Imagen de SEM de una película catalítica depositada sobre papel carbón. Figure 18. SEM image of a catalytic film deposited on carbon paper.
Figura 19. Experimentos en blanco: A la izquierda, a E = -0,676 V frente a RHE) en ausencia de catalizador en una disolución saturada de NaHCO<3>0,5 M con CO2 (pH = 7,3); a la derecha, a E = -0,605 V frente a RHE con CoPc2 en MWCNT (1:15) en una disolución saturada de NaHCO<3>0,5 M con Ar (pH = 8,5). En ambos casos, sólo se detectó H2 como producto de reacción. Figure 19. Blank experiments: On the left, at E = -0.676 V vs. RHE) in the absence of catalyst in a saturated solution of 0.5 M NaHCO<3> with CO2 (pH = 7.3); on the right, at E = -0.605 V vs. RHE with CoPc2 on MWCNTs (1:15) in a saturated solution of 0.5 M NaHCO<3> with Ar (pH = 8.5). In both cases, only H2 was detected as a reaction product.
Figura 20. Variación de la densidad de corriente total en función del potencial de electrólisis a una razón en masa optimizada paraCoPclen MWCNT en una disolución saturada de CO2 que contiene NaHCO<3>0,5 M (pH 7,3). Figura 21. Espectros de XPS de Co 2p (izquierda) y N 1s (derecha) antes y después de una electrólisis de 7 h (E = -0,676 V frente a RHE) con CoPc2 en MWCNT con una razón de 1:15 en una disolución saturada de CO2 con NaHCO<3>0,5 M (pH 7,3). Figure 20. Variation of total current density as a function of electrolysis potential at an optimized mass ratio of CoPc to MWCNTs in a CO2 saturated solution containing 0.5 M NaHCO<3> (pH 7.3). Figure 21. XPS spectra of Co 2p (left) and N 1s (right) before and after a 7 h electrolysis (E = -0.676 V vs. RHE) with CoPc2 on MWCNTs at a ratio of 1:15 in a CO2 saturated solution with 0.5 M NaHCO<3> (pH 7.3).
Figura 22. Electrólisis a granel a E = -0,971 V frente a RHE de una disolución saturada de CO2 que contiene KCl 0,5 M (pH 4) usando CoPc2 en MWCNT como catalizador. Figure 22. Bulk electrolysis at E = -0.971 V vs. RHE of a saturated CO2 solution containing 0.5 M KCl (pH 4) using CoPc2 on MWCNTs as catalyst.
Figura 23. Densidad de corriente total en función del potencial aplicado para CoPc2 en negro de carbono depositado sobre un papel carbón como material catalítico catódico, en una disolución de KOH 1 M (dispositivo de celda de flujo, véase el texto principal). Cada escalón de potencial se mantuvo durante una duración de 20 minutos. Figure 23. Total current density as a function of applied potential for CoPc2 on carbon black deposited on carbon paper as a cathode catalytic material, in a 1 M KOH solution (flow cell device, see main text). Each potential step was maintained for a duration of 20 min.
Figura 24. Parte superior: Espectros de EXAFS con espacio K (inserción) y transformada de Fourier de CoPc2 en negro de carbono antes (negro) y después de la electrólisis (E= -0,72 V frente a RHE) (gris) en una disolución de KOH 1 M. Figure 24. Top: K-spaced (inset) and Fourier transform EXAFS spectra of CoPc2 on carbon black before (black) and after electrolysis (E= -0.72 V vs. RHE) (gray) in 1 M KOH solution.
Parte inferior: Los espectros de Co K-edge XANES del electrodo de CoPc2 en negro de carbono después de la electrólisis (E = -0,72 V frente a RHE) (rojo) junto con los de los compuestos de referencia CoO (morado), CoOOH (naranja), Co<3>O<4>(azul) y Co metálico (verde). Bottom: Co K-edge XANES spectra of the CoPc2 electrode on carbon black after electrolysis (E = -0.72 V vs. RHE) (red) along with those of the reference compounds CoO (purple), CoOOH (orange), Co<3>O<4> (blue), and metallic Co (green).
Figura 25. Electrólisis a granel a una densidad de corriente fija (75 mA cm<-2>) con CoPc2 en negro de carbono depositado sobre papel carbón como material catalítico catódico, en disolución de KOH 1 M (dispositivo de celda de flujo, véase el texto principal). Durante la electrólisis, se añadieron 2,5 g de KOH cada media hora a la disolución de cátodo para mantener el equilibrio del pH. Figure 25. Bulk electrolysis at a fixed current density (75 mA cm<-2>) with CoPc2 on carbon black deposited on carbon paper as the cathode catalytic material, in 1 M KOH solution (flow cell device, see main text). During the electrolysis, 2.5 g of KOH was added every half hour to the cathode solution to maintain pH equilibrium.
Figura 26. La selectividad de CO en función del tiempo en horas a 50 mA/cm<2>con un catalizador deCo(qpy)en un dispositivo de celda sin espacio. Figure 26. CO selectivity as a function of time in hours at 50 mA/cm<2> with a Co(qpy) catalyst in a gapless cell device.
Descripción detalladaDetailed description
La presente invención se refiere a un electrolizador de celda de flujo 1 para reducir electroquímicamente un reactante gaseoso que comprende CO2 a CO gaseoso, tal como se especifica en la reivindicación 1 adjunta. The present invention relates to a flow cell electrolyzer 1 for electrochemically reducing a gaseous reactant comprising CO2 to gaseous CO, as specified in the appended claim 1.
El electrolito catódico puede comprender un tampón fosfato o hidróxido de potasio, y el electrolito anódico comprende un tampón fosfato o hidróxido de potasio. The cathodic electrolyte may comprise a phosphate buffer or potassium hydroxide, and the anodic electrolyte comprises a phosphate buffer or potassium hydroxide.
El catalizador molecular se elige entre la lista: The molecular catalyst is chosen from the list:
❖ tetrafenilporfirina metálica tal como se define en la reivindicación 1. ❖ metallic tetraphenylporphyrin as defined in claim 1.
❖ ftalocianina metálica, con el metal elegido entre: hierro, cobalto ❖ Metallic phthalocyanine, with the metal chosen from: iron, cobalt
❖ ftalocianina metálica con el metal elegido entre: hierro, cobalto, con uno o varios grupos entre: N(alquil C1-C<4>)<3>, F, C(CH<3>)<3>, o ❖ metallic phthalocyanine with the metal chosen from: iron, cobalt, with one or more groups from: N(C1-C<4>alkyl)<3>, F, C(CH<3>)<3>, or
❖ cuaterpiridina de cobalto ❖ cobalt quaterpyridine
El electrolizador de celda de flujo 1 comprende también: The flow cell electrolyzer 1 also comprises:
- una membrana de intercambio aniónico 10, impermeable a CO2, CO, H2 y O2, entre el compartimento anódico y el compartimento catódico; - an anion exchange membrane 10, impermeable to CO2, CO, H2 and O2, between the anode compartment and the cathode compartment;
- un canal 11 para hacer fluir el gas reactivo CO2, a una velocidad de flujo controlada Qg, sobre o a través de la superficie S del colector catódico de corriente poroso de difusión de gas; - a channel 11 for flowing the reactive gas CO2, at a controlled flow rate Qg, over or through the surface S of the porous gas diffusion cathodic current collector;
- una fuente de alimentación que proporciona la energía necesaria para desencadenar las reacciones electroquímicas que implican el reactivo. - a power source that provides the energy needed to trigger the electrochemical reactions involving the reactant.
En el electrolizador de celda de flujo 1, todas las velocidades de flujo se controlan haciendo pasar los electrolitos catódicos y anódicos, así como el gas reactivo, a través de los medios de bombeo 12 que sirven para: In the flow cell electrolyzer 1, all flow rates are controlled by passing the cathodic and anodic electrolytes, as well as the reactive gas, through the pumping means 12 which serve to:
° hacer circular mediante bombeo la disolución de electrolito anódico 3 y la disolución de electrolito catódico 6 entre las entradas 4, y las salidas, 5, ° circulate by pumping the anodic electrolyte solution 3 and the cathodic electrolyte solution 6 between the inlets 4 and the outlets 5,
° hacer fluir mediante bombeo el gas reactivo CO2 en o a través del cátodo poroso de difusión de gas 9. En un ejemplo, el gas reactante comprende al menos el 99 % por volumen de CO2, o al menos el 99,5 % por volumen de CO2, o al menos el 99,9 % por volumen de CO2, o al menos el 99,99 % por volumen de CO2. ° pumping the reactant gas CO2 into or through the porous gas diffusion cathode 9. In one example, the reactant gas comprises at least 99% by volume CO2, or at least 99.5% by volume CO2, or at least 99.9% by volume CO2, or at least 99.99% by volume CO2.
La celda de flujo 1 puede tener un dispositivo capaz de registrar la corriente generada por los procesos electroquímicos. The flow cell 1 may have a device capable of recording the current generated by the electrochemical processes.
Ventajosamente, pero de manera no limitativa, el canal para hacer fluir el gas reactivo CO2 puede comprender un marco de flujo que genera un flujo turbulento. Advantageously, but not limited to, the channel for flowing the reactive gas CO2 may comprise a flow frame that generates a turbulent flow.
De manera ventajosa, pero de manera no limitativa, los medios de bombeo 12 hacen recircular la disolución de electrolito anódico 3 y la disolución de electrolito catódico 6. Advantageously, but not limited to, the pumping means 12 recirculate the anodic electrolyte solution 3 and the cathodic electrolyte solution 6.
En una realización preferida, la disolución de electrolito anódico y/o catódico tiene un pH neutro o básico. In a preferred embodiment, the anodic and/or cathodic electrolyte solution has a neutral or basic pH.
En aún otra realización preferida, la disolución de electrolito catódico tiene un pH básico. En una realización de este tipo, la disolución de electrolito anódico puede tener un pH ácido o neutro. In yet another preferred embodiment, the cathodic electrolyte solution has a basic pH. In such an embodiment, the anodic electrolyte solution may have an acidic or neutral pH.
En particular, la disolución de electrolito anódico y/o la disolución de electrolito catódico tienen un pH de desde 9 hasta 14, preferiblemente desde 10 hasta 14, más preferiblemente desde 11,5 hasta 14, y más preferiblemente desde 13 hasta 14. In particular, the anodic electrolyte solution and/or the cathodic electrolyte solution have a pH of from 9 to 14, preferably from 10 to 14, more preferably from 11.5 to 14, and most preferably from 13 to 14.
En aún otra realización preferida, la disolución de electrolito catódico tiene un pH de desde 9 hasta 14, preferiblemente desde 10 hasta 14, más preferiblemente desde 11,5 hasta 14, y más preferiblemente desde 13 hasta 14. En una realización de este tipo, la disolución de electrolito anódico puede tener un pH ácido o neutro. In yet another preferred embodiment, the cathodic electrolyte solution has a pH of from 9 to 14, preferably from 10 to 14, more preferably from 11.5 to 14, and most preferably from 13 to 14. In such an embodiment, the anodic electrolyte solution may have an acidic or neutral pH.
Las condiciones básicas, es decir, alcalinas, en particular cuando se aplican a la disolución de electrolito catódico, permiten hacer funcionar el electrolizador de celda de flujo a densidades de corriente sorprendentemente altas en comparación con las condiciones ácidas. Basic, i.e. alkaline, conditions, particularly when applied to the cathode electrolyte solution, allow the flow cell electrolyzer to operate at surprisingly high current densities compared to acidic conditions.
La combinación de condiciones básicas con los catalizadores moleculares de porfirina, ftalocianina o cuaterpiridina mencionados anteriormente da como resultado además selectividades sorprendentemente altas para la conversión deseada de CO2 a CO, con sólo una formación menor o incluso nula de productos secundarios. Por tanto, con las altas densidades de corriente y la alta selectividad de CO, la invención permite la producción de CO casi puro a partir de CO2 a altas tasas de rendimiento. The combination of basic conditions with the aforementioned porphyrin, phthalocyanine, or quaterpyridine molecular catalysts also results in surprisingly high selectivities for the desired conversion of CO2 to CO, with only minor or even no byproduct formation. Thus, with the high current densities and high CO selectivity, the invention enables the production of almost pure CO from CO2 at high yield rates.
Además, se descubrió que los catalizadores moleculares mencionados anteriormente demuestran una alta estabilidad a largo plazo incluso en condiciones de pH alcalino severas. Furthermore, the aforementioned molecular catalysts were found to demonstrate high long-term stability even under severe alkaline pH conditions.
La reducción electroquímica del reactivo a CO puede llevarse a cabo a temperatura ambiental. La reducción electroquímica del reactivo a CO puede llevarse a cabo a presión atmosférica. The electrochemical reduction of the reagent to CO can be carried out at room temperature. The electrochemical reduction of the reagent to CO can be carried out at atmospheric pressure.
Ventajosamente, el colector de corriente catódico puede ser papel carbón. En el papel carbón, puede llenarse un colector de corriente poroso compuesto de múltiples capas (por ejemplo, una capa de distribución de gas de politetrafluoroetileno) para aumentar la tasa/eficiencia de reducción. Advantageously, the cathodic current collector can be carbon paper. A porous current collector composed of multiple layers (e.g., a polytetrafluoroethylene gas distribution layer) can be filled into the carbon paper to increase the reduction rate/efficiency.
En una realización, el cátodo poroso 9 comprende en el colector de corriente una película de electrodos que, al menos, contiene polímeros y los catalizadores moleculares. La película de electrodo puede llenarse o injertarse en el colector de corriente. In one embodiment, the porous cathode 9 comprises an electrode film in the current collector, which at least contains polymers and the molecular catalysts. The electrode film can be filled with or grafted onto the current collector.
La tetrafenilporfirina comprende grupos específicos en los restos fenílicos, con al menos uno o varios grupos N(alquil C<1>-C<4>)<3>entre los grupos específicos. Tetraphenylporphyrin comprises specific groups on the phenyl moieties, with at least one or more N(C<1>-C<4>alkyl)<3> groups between the specific groups.
En una primera realización del electrolizador de celda de flujo 1, el catalizador molecular es la porfirina de hierro con la fórmula: In a first embodiment of the flow cell electrolyzer 1, the molecular catalyst is iron porphyrin with the formula:
en donde: where:
o al menos 1 y como máximo 8 grupos entre Ri y R<10>y Ri, y R<10>' que sean independientemente un grupo N(alquil C1-C4)3, or at least 1 and at most 8 groups between Ri and R<10> and Ri, and R<10>' which are independently a N(C1-C4 alkyl)3 group,
o los grupos restantes de R<1>a R<10>y R<1>, a R<10>' se seleccionan independientemente del grupo que consiste en H, OH, F, C(CH3)3 or the remaining groups from R<1> to R<10> and R<1> to R<10>' are independently selected from the group consisting of H, OH, F, C(CH3)3
En particular, el catalizador molecular de hierro puede comprender: In particular, the iron molecular catalyst may comprise:
- los otros grupos entre R<1>y R<10>y R<1>, y R<10>' son H; o - the other groups between R<1> and R<10> and R<1>, and R<10>' are H; or
- los otros grupos entre R<1>y R<10>y R<1>, y R<10>' son H y F; - the other groups between R<1> and R<10> and R<1>, and R<10>' are H and F;
El catalizador molecular de hierro puede comprender los grupos N(alquil C1-C4)3 en posición para u orto. The iron molecular catalyst may comprise N(C1-C4 alkyl)3 groups in para or ortho position.
Por ejemplo: el catalizador molecular es una porfirina de hierro FeTnT de fórmula (II): For example: the molecular catalyst is an iron porphyrin FeTnT of formula (II):
O se elige entre estas moléculas que contienen hierro: Or choose from these iron-containing molecules:
, preferiblemente como su sal de cloruro. , preferably as its chloride salt.
Con la porfirina de hierro como catalizador molecular, en las condiciones de funcionamiento: el pH está entre 7,3 y 14, y el potencial aplicado al cátodo 9 está entre 0 V y -1 V frente a RHE (electrodo de hidrógeno reversible), los resultados de la celda de flujo pueden ser: una densidad de corriente para la producción de CO de más de 5 y al menos 150 mA.cm-2, y la selectividad de la reacción electroquímica que está entre el 98%y el 99,9 %. With iron porphyrin as molecular catalyst, under the operating conditions: pH is between 7.3 and 14, and the potential applied to the cathode 9 is between 0 V and -1 V vs. RHE (reversible hydrogen electrode), the flow cell results can be: a current density for CO production of more than 5 and at least 150 mA.cm-2, and the selectivity of the electrochemical reaction which is between 98% and 99.9%.
En una segunda realización del electrolizador de celda de flujo 1, el electrolizador de celda de flujo 1 comprende el catalizador molecular que presenta la fórmula: In a second embodiment of the flow cell electrolyzer 1, the flow cell electrolyzer 1 comprises the molecular catalyst having the formula:
en donde Ri a Ri6 se seleccionan independientemente de los grupos que consisten en H, F, C(CH3)3 o N(alquil Ci-C4)3 where Ri to Ri6 are independently selected from the groups consisting of H, F, C(CH3)3 or N(C1-C4 alkyl)3
En particular, Ri a Ri6 son H y el catalizador molecular es una ftalocianina de cobalto CoPc de fórmula: In particular, Ri to Ri6 are H and the molecular catalyst is a cobalt phthalocyanine CoPc with the formula:
Con la ftalocianina como catalizador molecular, en las condiciones de funcionamiento: el pH está entre 7,3 y i4 , el potencial aplicado al cátodo 9 está entre -0,48 V y -0,98 V frente a RHE, los resultados de la celda de flujo pueden ser: una densidad de corriente para la producción de CO de más de i0 y al menos 50 mAcm<-2>, y una selectividad de la reacción electroquímica entre el 90%y el 92 %. With phthalocyanine as a molecular catalyst, under the operating conditions: pH is between 7.3 and i4 , the potential applied to the cathode 9 is between -0.48 V and -0.98 V versus RHE, the flow cell results can be: a current density for CO production of more than i0 and at least 50 mAcm<-2>, and an electrochemical reaction selectivity between 90% and 92%.
En otra variante, el catalizador molecular de cobalto presenta al menos i y como máximo 8 grupos entre Ri y Ri<6>que son independientemente el grupo N(alquil Ci -C<4>)<3>. In another variant, the cobalt molecular catalyst has at least i and at most 8 groups between Ri and Ri<6> which are independently the N(alkyl Ci -C<4>)<3> group.
En otra variante, el catalizador molecular de cobalto presenta, para uno o varios de los siguientes grupos específicos Ri , R4, R5, R<8>, R9, Ri 2, Ri 3 y Ri<6>, un sustituyente N(alquil Ci -C<4>)<3>. In another variant, the cobalt molecular catalyst has, for one or more of the following specific groups Ri, R4, R5, R<8>, R9, Ri 2, Ri 3 and Ri<6>, a substituent N(alkyl Ci -C<4>)<3>.
Por ejemplo, el catalizador molecular puede ser una ftalocianina de cobalto CoPc2 de fórmula: For example, the molecular catalyst may be a cobalt phthalocyanine CoPc2 with the formula:
Con la ftalocianina de cobalto con uno o varios grupos N(alquil Ci-C<4>)<3>, como catalizador molecular, en las condiciones de funcionamiento: el pH está entre 7,3 y 14, y el potencial aplicado al cátodo 9 está entre -0,3 V y -1 V frente a RHE, los resultados de la celda de flujo pueden ser: una densidad de corriente para la producción de CO de más de 10 y al menos 150 mAcm-2, y una selectividad de la reacción electroquímica está entre el 92%y el 96 %. Using cobalt phthalocyanine with one or more N(C1-C4 alkyl)<3> groups as a molecular catalyst, under the operating conditions: pH between 7.3 and 14, and the potential applied to the cathode 9 between -0.3 V and -1 V versus RHE, the flow cell results can be: a current density for CO production of more than 10 and at least 150 mAcm-2, and a selectivity of the electrochemical reaction between 92% and 96%.
En una tercera realización del electrolizador de celda de flujo 1, el electrolizador de celda de flujo 1 comprende el catalizador molecular que presenta las fórmulas de la cuaterpiridina de cobalto. In a third embodiment of the flow cell electrolyzer 1, the flow cell electrolyzer 1 comprises the molecular catalyst having the formulas of cobalt quaterpyridine.
Con la cuaterpiridina de cobalto como catalizador molecular, en las condiciones de funcionamiento: el pH está entre 7,3 y 14, y el potencial aplicado al cátodo 9 está entre -0,6 V y -1 V frente a RHE, los resultados de la celda de flujo pueden ser: una densidad de corriente para la producción de CO está entre 25 y 200 mAcm-2, y una selectividad de la reacción electroquímica entre el 86,1 % y el 98,8 %. Using cobalt quaterpyridine as a molecular catalyst, under the operating conditions: pH 7.3–14, and the potential applied to cathode 9 between -0.6 V and -1 V versus RHE, the flow cell results can be: a current density for CO production between 25 and 200 mAcm-2, and an electrochemical reaction selectivity between 86.1% and 98.8%.
Primera realización First realization
Preparación de los materiales híbridos para el electrodo de difusión de gas con FeTnT Preparation of hybrid materials for the gas diffusion electrode with FeTnT
Se dispersaron 7,2 mg de negro de carbono en 8 ml de etanol mediante sonicación durante 30 min. Se añadió una disolución de 2,08 mg deFeTnTen 2 ml de etanol a la suspensión de negro de carbono, seguido de sonicación durante 30 minutos. Se añadieron 20 j l de una disolución de Nafion al 5 % p/p, seguida de sonicación durante 30 min. La tinta tal como estaba preparada se dispuso a 65 °C sobre papel carbón enmascarado con un marco de PTFE para obtener un colector de corriente de difusión de gas de 1*1 cm<2>7.2 mg of carbon black was dispersed in 8 ml of ethanol by sonication for 30 min. A solution of 2.08 mg of FeTn in 2 ml of ethanol was added to the carbon black suspension, followed by sonication for 30 min. 20 j l of a 5% w/w Nafion solution was added, followed by sonication for 30 min. The as-prepared ink was spotted at 65 °C on carbon paper masked with a PTFE frame to obtain a 1 x 1 cm gas diffusion current collector.
Resultados Results
Los inventores incluyeronFeTNTen una configuración de celda de flujo que comprendíaFeTNTsoportado en un electrodo de difusión de gas como cátodo 9. Los detalles de la configuración se proporcionan en la información de apoyo (véanse también las figuras 14 y 16). En resumen, el electrolizador consiste en un sándwich de marcos de flujo, electrodos, juntas y una membrana de intercambio iónico 10, que se ensamblaron como se ilustra esquemáticamente en la figura 14a. Un flujo de gas de CO2 se suministra desde el lado posterior del compartimento catódico y fluye a través del electrodo de difusión de gas (GDE), mientras que la disolución de catolito se hace circular entre el<g>D<e>y la membrana de intercambio aniónico (AEM) 10. En el otro lado de la AEM, el anolito se dirige entre la AEM y el ánodo de aleación de Pt/Ti 2, figura 14b. Se dispersóFeTNTen una tinta coloidal con negro de carbono y posteriormente se depositó sobre el papel de fibra de carbono, que componía el cátodo 9. The inventors included FeTNT in a flow cell configuration comprising FeTNT supported on a gas diffusion electrode as the cathode 9. Details of the setup are provided in the Supporting Information (see also Figures 14 and 16). In brief, the electrolyzer consists of a sandwich of flow frames, electrodes, gaskets, and an ion exchange membrane 10, which were assembled as schematically illustrated in Figure 14a. A CO2 gas stream is supplied from the back side of the cathode compartment and flows through the gas diffusion electrode (GDE), while the catholyte solution is circulated between the GDE and the anion exchange membrane (AEM) 10. On the other side of the AEM, the anolyte is directed between the AEM and the Pt/Ti alloy anode 2, Figure 14b. FeTNT was dispersed in a colloidal ink with carbon black and subsequently deposited on the carbon fiber paper, which composed the cathode 9.
Primero se realizó un estudio de la actividad catalítica en función del potencial aplicado en NaHCO<3>0,5 M saturado con CO2. La figura 1 ilustra el aumento en la densidad de corriente registrado para el CO2RR a medida que el sobrepotencial se estableció gradualmente en valores más negativos en escalones de 100 mV, junto con la selectividad para la producción de CO (véase también la figura 9). Inicialmente, a los potenciales menos negativos, el CO se detectó como el único producto; mientras que se observaron cantidades menores de H2 derivadas de la HER (reacción de evolución del hidrógeno) a potenciales más negativos. Las pequeñas cantidades de este último, incluso con potenciales mucho más allá del inicio de la HER, reflejan la capacidad del catalizador para suprimir fuertemente la HER en favor de la producción de CO. Esto se verificó además empleando una película no catalítica en el electrolizador, es decir, una película formulada con el ligando de porfirina no metalado, lo que resultó en la producción exclusiva de H2 (véase la figura 10). La densidad de corriente promedio y la selectividad de CO en cada potencial aplicado se recogen en la tabla 1 siguiente. A study of the catalytic activity as a function of applied potential was first performed in 0.5 M NaHCO<3> saturated with CO2. Figure 1 illustrates the increase in current density recorded for CO2RR as the overpotential was gradually established to more negative values in 100 mV steps, together with the selectivity for CO production (see also Figure 9). Initially, at the least negative potentials, CO was detected as the only product; whereas minor amounts of H2 arising from the HER (hydrogen evolution reaction) were observed at more negative potentials. The small amounts of the latter, even at potentials well beyond the onset of HER, reflect the ability of the catalyst to strongly suppress HER in favor of CO production. This was further verified by employing a non-catalytic film in the electrolyzer, i.e., a film formulated with the non-metallated porphyrin ligand, resulting in the exclusive production of H2 (see Figure 10). The average current density and CO selectivity at each applied potential are shown in Table 1 below.
Tabla 1. Densidades de corriente y selectividad de CO obtenidas con una película catalítica con catalizador de FeTNTas (pH 7,3) en función del potencial aplicado en el cátodo 9. Table 1. Current densities and CO selectivity obtained with a catalytic film with FeTNTas catalyst (pH 7.3) as a function of the potential applied at the cathode 9.
La resistencia de la película catalítica se sometió a prueba realizando una electrólisis cronoamperométrica durante 24 horas. Basándose en los valores enumerados en la tabla 1, se eligió un potencial de -0,78 V frente a RHE, ya que este potencial compromete entre la alta densidad de corriente y la capacidad del catalizador para proporcionar una producción de CO casi perfecta. La densidad de corriente y la selectividad de CO que se han obtenido se muestran en la figura 2, lo que demuestra la excelente estabilidad del sistema: durante el experimento se mantuvo una densidad de corriente de 27,3 mAcirr<2>con una selectividad promedio para CO de 98,2 ± 0,2 %. The resistance of the catalytic film was tested by performing chronoamperometric electrolysis for 24 hours. Based on the values listed in Table 1, a potential of -0.78 V versus RHE was chosen, as this potential compromises the high current density and the catalyst's ability to provide near-perfect CO production. The current density and CO selectivity obtained are shown in Figure 2, demonstrating the excellent stability of the system: a current density of 27.3 mAcirr<2> was maintained during the experiment, with an average CO selectivity of 98.2 ± 0.2%.
En las mismas condiciones, el rendimiento de celda se evaluó adicionalmente realizando una electrólisis cronopotenciométrica a una densidad de corriente de 50 mAcirr<2>Como se muestra en la figura 3, la celda mantuvo este valor de corriente durante 3 horas a un potencial de -1,14 V frente a RHE. La selectividad del producto no se vio afectada por el aumento de la densidad de corriente de casi 2 veces, ya que el CO se produjo con una selectividad promedio del 98,3 ± 0,3 %. Under the same conditions, the cell performance was further evaluated by performing a chronopotentiometric electrolysis at a current density of 50 mAcirr<2>. As shown in Figure 3, the cell maintained this current value for 3 hours at a potential of -1.14 V vs. RHE. The product selectivity was not affected by the almost 2-fold increase in current density, as CO was produced with an average selectivity of 98.3 ± 0.3%.
Para disminuir el potencial de celda, la resistencia óhmica de la celda se redujo al aumentar la concentración de electrolito. Esto se demostró en una disolución de electrolito de NaHCO<3>1,0 M, donde se obtuvo una ganancia de >8 mAcirr<2>a un potencial aplicado de -0,78 V frente a RHE, sin comprometer la selectividad de CO (véase la figura 11). En una electrólisis cronopotenciométrica, véase la figura 4, el potencial aplicado a 50 mAcirr<2>cambió positivamente a -0,86 V frente a RHE y, además, el potencial de celda se redujo en 590 mV. La selectividad del producto de CO fue de 99,0 ± 0,2 % en promedio. To lower the cell potential, the ohmic resistance of the cell was reduced by increasing the electrolyte concentration. This was demonstrated in a 1.0 M NaHCO<3> electrolyte solution, where a gain of >8 mAcirr<2> was obtained at an applied potential of -0.78 V vs. RHE, without compromising CO selectivity (see Figure 11). In a chronopotentiometric electrolysis, see Figure 4, the applied potential at 50 mAcirr<2> was positively shifted to -0.86 V vs. RHE, and additionally, the cell potential was reduced by 590 mV. The CO product selectivity was 99.0 ± 0.2% on average.
Se logró un enfoque complementario para aumentar el rendimiento de celda mediante la activación térmica del catalizador. Durante una electrólisis cronoamperométrica a -0,78 V frente a RHE, la temperatura del catolito se aumentó gradualmente desde 24 °C hasta 34 °C y finalmente hasta 40 °C. Como se muestra en la figura 5A, se observó un aumento en la densidad de corriente al aumentar la temperatura, mientras se mantenía la alta selectividad del producto de CO. Tomando la TOF (en s-1) como una constante de velocidad aparente de 1er orden para la conversión de CO<2>(suponiendo condiciones de estado estacionario para el catalizador y la fuente de protones), un gráfico de Arrhenius: Se construyó ln(TOF) frente a 1/T (en K-1) (figura 5B). A partir de la pendiente, la energía de activación, Ea, se calculó en 12 kJmol-1. A complementary approach to increasing cell performance was achieved by thermal activation of the catalyst. During a chronoamperometric electrolysis at -0.78 V vs. RHE, the catholyte temperature was gradually increased from 24 °C to 34 °C and finally to 40 °C. As shown in Figure 5A, an increase in current density was observed with increasing temperature, while the high CO product selectivity was maintained. Taking the TOF (in s-1) as a 1st-order apparent rate constant for CO<2> conversion (assuming steady-state conditions for the catalyst and proton source), an Arrhenius plot: ln(TOF) vs. 1/T (in K-1) was constructed (Figure 5B). From the slope, the activation energy, Ea, was calculated to be 12 kJmol-1.
En condiciones alcalinas (KOH 1,0 M, pH 14), el rendimiento de celda mejoró drásticamente. La figura 6 muestra las densidades de corriente resultantes y la selectividad del producto de CO registradas a diversos potenciales (véase también la figura 12). Se observó una densidad de corriente de 6 mAcirr2 a 0,014 V frente a RHE, y se alcanzó 155 mAcirr2 a -0,59 V frente a RHE, con una excelente selectividad del producto de CO, tal como se resume en la tabla 2. En un experimento de control con el ligando de porfirina no metalado, el H<2>fue el único producto detectado (véase la figura 13). Under alkaline conditions (1.0 M KOH, pH 14), cell performance was dramatically improved. Figure 6 shows the resulting current densities and CO product selectivity recorded at various potentials (see also Figure 12). A current density of 6 mAcirr2 was observed at 0.014 V vs. RHE, and 155 mAcirr2 was reached at -0.59 V vs. RHE, with excellent CO product selectivity, as summarized in Table 2. In a control experiment with the non-metallated porphyrin ligand, H<2> was the only product detected (see Figure 13).
Tabla 2. Densidades de corriente y selectividad de CO obtenidas con una película catalítica con catalizador de FeTNTas (pH 14) en función del potencial aplicado en el cátodo 9. Table 2. Current densities and CO selectivity obtained with a catalytic film with FeTNTas catalyst (pH 14) as a function of the potential applied at the cathode 9.
Para investigar la resistencia del catalizador en condiciones alcalinas, se realizó una electrólisis cronopotenciométrica a 27 mAcirr<2>durante 24 h, el mismo valor de densidad de corriente que se realizó en condiciones de pH neutro. Como se muestra en la figura 7, se midió un potencial de aproximadamente -0,16 V frente a RHE a lo largo del transcurso de 24 horas, mostrando sólo un aumento de un minuto. La selectividad del producto de CO se mantuvo extremadamente alta: 99,7 ± 0,2 % de promedio. To investigate the catalyst's resistance under alkaline conditions, chronopotentiometric electrolysis was performed at 27 mAcirr<2> for 24 h, the same current density as that performed under neutral pH conditions. As shown in Figure 7, a potential of approximately -0.16 V was measured against RHE over the course of 24 hours, showing only a one-minute increase. The CO product selectivity remained extremely high: 99.7 ± 0.2% on average.
Para una comparación directa con el sistema de bicarbonato 1,0 M de pH neutro, se realizó una electrólisis cronopotenciométrica a 50 mAcirr<2>en KOH 1,0 M, como se muestra en la figura 8. A lo largo del transcurso de una electrólisis de 3 horas, el potencial aplicado se mantuvo estable (-0,23 V frente a RHE), un potencial negativo muy débil para una densidad de corriente tan alta. Una vez más, la selectividad de CO fue casi perfecta, con un valor promedio del 99,8 ± 0,1 %. For direct comparison with the neutral pH 1.0 M bicarbonate system, a chronopotentiometric electrolysis was performed at 50 mAcirr<2> in 1.0 M KOH, as shown in Figure 8. Over the course of a 3 h electrolysis, the applied potential remained stable (-0.23 V vs. RHE), a very weak negative potential for such a high current density. Once again, the CO selectivity was almost perfect, with an average value of 99.8 ± 0.1%.
Segunda realización Second realization
Los inventores incluyeronCoPc2en la misma configuración de celda de flujo descrita en la primera realización. Se soportóCoPc2en un electrodo de difusión de gas como cátodo 9. Los detalles de la configuración se proporcionan en la información de apoyo (véase la figura 16). Se dispersóCoPc2en una tinta coloidal con negro de carbono y posteriormente se depositó sobre el papel de fibra de carbono, que componía el cátodo 9. The inventors included CoPc2 in the same flow cell configuration described in the first embodiment. CoPc2 was supported on a gas diffusion electrode as the cathode 9. Details of the configuration are provided in the Supporting Information (see Figure 16). CoPc2 was dispersed in a colloidal ink with carbon black and subsequently deposited onto the carbon fiber paper, which composed the cathode 9.
A -0,3 V frente a RHE y pH 14 (KOH 1 M para el electrolito), lo que corresponde a un sobrepotencial bajo de 200 mV,<se logró una alta densidad de corriente con j'co = 22,2 mA/cm2 (>J<co es la densidad de corriente parcial para la producción>de CO). La dependencia de la densidad de corriente para la producción de CO se indica en la figura 15a (véase también la figura 22). Al establecer el potencial de electrólisis en -0,72 V frente a RHE, j co se elevó hasta 111,6 mA/cm<2>con una selectividad del 96 %, mientras que se obtuvo una excelente estabilidad a lo largo del transcurso de la electrólisis de 3 h (figura 15b). El único subproducto adicional en fase gaseosa fue el H2 (selectividad del 4 %) y la disolución de catolito se comprobó cuidadosamente mediante<1>H-RMN; no se detectó formiato ni metanol durante el experimento. Elj'coobtenido corresponde a una frecuencia de recambio (TOF) de 2,7 s<_1>y a un número de recambio (TON) de 29008. Se obtuvo una densidad de corriente máxima de 165 mA cirr<2>para la generación de CO a -0,92 V frente a RHE. La estabilidad a largo plazo del material catalítico se evaluó al aplicar una densidad de corriente constante de 75 mA cirr<2>durante 10 h, lo que condujo a un potencial catódico de -0,65 V frente a RHE (h = 540 mV) con una selectividad de CO del 94 % (j'<co>= 70,5 mA cm<-2>) (figura 23). Todos los datos recogidos se recopilan en la tabla 3, junto con una comparación de los catalizadores informados anteriormente. El tipo de celda usada (celda de H frente a celda de flujo) también se indica para facilitar la comparación entre los datos. Los espectros Co K-edge XANES de CoPc2 en negro de carbono se registraron antes y después de la electrocatálisis a E = -0,72 V frente a RHE. La figura 15c muestra estos espectros junto con los del complejo deCoPc2de partida. Todos estos espectros presentan las características típicas esperadas de un complejo de ftalocianina de cobalto(II), es decir, un pico antes del borde de baja intensidad a 7111 eV (correspondiente a una transición de 1s a 3d/4p) y un hombro a 7717 eV (correspondiente a una transición de 1s a 4pz). Curiosamente, Li ycol.17demostraron que la intensidad de estas dos transiciones depende de la unión a una superficie, es decir, la intensidad antes del borde aumenta y el hombro disminuye tras la adsorción en nanotubos, respectivamente. La misma tendencia se observa en el sistema de CoPc2 en negro de carbono, con una disminución de las intensidades antes del borde y un aumento de las del hombro al pasar del complejo de partida a las especies adsorbida. Esta tendencia continúa después de la catálisis, lo que sugiere una interacción aún más estrecha con la superficie mientras se mantiene la estructura general del catalizador molecular después del experimento. Esta conservación estructural se confirma además con los espectros EXAFS (figura 24), que también presentan las características típicas de un complejo de ftalocianina de cobalto.<38>Además, la comparación del espectro deCoPc2en negro de carbono registrado después de la catálisis con el de las muestras de cobalto de referencia (figura 24) muestra claramente que los cambios observados en el espectro después de la catálisis son insignificantes en lo que respecta a la estructura general. At -0.3 V vs. RHE and pH 14 (1 M KOH for the electrolyte), corresponding to a low overpotential of 200 mV, a high current density was achieved with j'co = 22.2 mA/cm2 (J<co is the partial current density for CO production). The current density dependence for CO production is indicated in Figure 15a (see also Figure 22). By setting the electrolysis potential to -0.72 V vs. RHE, j co was raised to 111.6 mA/cm<2> with a selectivity of 96%, while excellent stability was obtained over the course of the 3 h electrolysis (Figure 15b). The only additional by-product in the gas phase was H2 (4% selectivity), and the catholyte dissolution was carefully checked by H-NMR; Neither formate nor methanol was detected during the experiment. The j'co obtained corresponds to a turnover frequency (TOF) of 2.7 s<_1>and a turnover number (TON) of 29008. A maximum current density of 165 mA cirr<2>was obtained for CO generation at -0.92 V vs. RHE. The long-term stability of the catalytic material was assessed by applying a constant current density of 75 mA cirr<2>for 10 h, leading to a cathodic potential of -0.65 V vs. RHE (h = 540 mV) with a CO selectivity of 94% (j'<co>= 70.5 mA cm<-2>) (Figure 23). All collected data are compiled in Table 3, along with a comparison to previously reported catalysts. The cell type used (H cell vs. flow cell) is also indicated to facilitate comparison between the data. Co K-edge XANES spectra of CoPc2 on carbon black were recorded before and after electrocatalysis at E = -0.72 V vs. RHE. Figure 15c shows these spectra together with those of the starting CoPc2 complex. All these spectra exhibit the typical features expected of a cobalt(II) phthalocyanine complex, i.e., a low-intensity pre-edge peak at 7111 eV (corresponding to a 1s to 3d/4p transition) and a shoulder at 7717 eV (corresponding to a 1s to 4pz transition). Interestingly, Li et al.17 showed that the intensity of these two transitions depends on binding to a surface, i.e., the pre-edge intensity increases and the shoulder decreases upon adsorption on nanotubes, respectively. The same trend is observed in the CoPc2-on-carbon black system, with a decrease in intensities before the edge and an increase in those at the shoulder when going from the starting complex to the adsorbed species. This trend continues after catalysis, suggesting an even closer interaction with the surface while maintaining the overall structure of the molecular catalyst after the experiment. This structural conservation is further confirmed by the EXAFS spectra (Figure 24), which also display the typical features of a cobalt phthalocyanine complex.<38>Furthermore, comparison of the CoPc2-on-carbon black spectrum recorded after catalysis with that of the reference cobalt samples (Figure 24) clearly shows that the observed changes in the spectrum after catalysis are negligible with respect to the overall structure.
Sorprendentemente, elCoPc2sigue siendo altamente selectivo para la conversión de CO2 a CO a lo largo de un intervalo de 10 unidades de pH, que va desde disoluciones ácidas (pH 4) a disoluciones básicas (pH 14). Se obtuvo de forma rutinaria una selectividad promedio del 92 % para la reducción de CO2 con una densidad de corriente parcial de aproximadamente 20 mA cm<-2>en todo el dominio de los valores de pH con una excelente estabilidad a lo largo del tiempo. En disoluciones casi neutras (pH 7,3), elCoPc2es un catalizador significativamente mejor que la ftalocianina no sustituidaCoPc(véase la tabla 3, entradas 2 y 3) con un aumento de aproximadamente un 25 % en la densidad de corriente con un sobrepotencial similar, pero también supera a la ftalocianina sustituida con tetraciano del estado de la técnica (CoPc-CN, tabla 3, entrada 4) y a la ftalocianina de Co no sustituida polimerizada alrededor de nanotubos de carbono (CoPpc, tabla 3, entrada 5), tanto en cuanto a densidad de corriente como de frecuencia de recambio. De manera similar a las ftalocianinas de cobalto mencionadas anteriormente, elCoPc2presenta una excelente estabilidad a lo largo del tiempo, mostrando un experimento de electrólisis de 10,5 h, sin pérdida de rendimiento. Surprisingly, CoPc2 remains highly selective for CO2 to CO conversion over a range of 10 pH units, from acidic (pH 4) to basic (pH 14) solutions. An average selectivity of 92% for CO2 reduction was routinely obtained with a partial current density of approximately 20 mA cm<-2> across the entire pH range, with excellent long-term stability. In near-neutral solutions (pH 7.3), CoPc2 is a significantly better catalyst than the unsubstituted phthalocyanine CoPc (see Table 3, entries 2 and 3) with approximately a 25% increase in current density at a similar overpotential, but it also outperforms the state-of-the-art tetracyano-substituted phthalocyanine (CoPc-CN, Table 3, entry 4) and the unsubstituted Co phthalocyanine polymerized around carbon nanotubes (CoPpc, Table 3, entry 5) in both current density and turnover frequency. Similar to the aforementioned cobalt phthalocyanines, CoPc2 exhibits excellent stability over time, showing no loss in performance in a 10.5 h electrolysis experiment.
Tabla 3. Comparación de los rendimientos de electrólisis entre el catalizador híbrido CoPc2 en polvo de carbono y los catalizadores moleculares de Co inmovilizados y nanomateriales de Ag del estado de la técnica informados anteriormente. Table 3. Comparison of electrolysis performances between the carbon powder CoPc2 hybrid catalyst and the previously reported state-of-the-art immobilized Co molecular catalysts and Ag nanomaterials.
Se alcanzó una frecuencia de recambio de hasta 6,8 s<-1>y, en general, fue necesaria una carga muy pequeña de los catalizadores para obtener un alto j co (véase, por ejemplo, la tabla 3, entradas 1-2). La electrólisis a largo plazo (10 h) en condiciones básicas (pH 14) a -0,65 V frente a RHE condujo a unjcopromedio cercano a los 70,5 mAcm<-2>y también ilustra la notable estabilidad del catalizador de cobalto. La capacidad de implementar elCoPc2en diversas condiciones de pH también es una característica clave que puede permitir combinar el catalizador de Co con diversos tipos de materiales anódicos para disminuir el potencial de celda general. En particular, el excelente rendimiento obtenido a pH 14 debería permitir emparejar el cátodo 9 cargado conCoPc2con los materiales de ánodo 2 de óxido metálico que desprenden oxígeno más eficientes. A este pH, elCoPc2coincide con el catalizador a base de Ag del estado de la técnica pulverizado sobre una membrana de PTFE, tanto en términos de selectividad como de densidad de corriente (tabla 3, compárense las entradas 10 y 12). A turnover frequency of up to 6.8 s<-1> was achieved, and generally, very low catalyst loading was required to obtain high jco (see, e.g., Table 3, entries 1-2). Long-term electrolysis (10 h) under basic conditions (pH 14) at -0.65 V versus RHE led to an average jco close to 70.5 mAcm<-2> and also illustrates the remarkable stability of the cobalt catalyst. The ability to implement CoPc2 under various pH conditions is also a key feature that may allow the Co catalyst to be combined with various types of anode materials to lower the overall cell potential. In particular, the excellent performance obtained at pH 14 should allow the CoPc2-loaded cathode 9 to be paired with the most efficient oxygen-evolving metal oxide anode 2 materials. At this pH, CoPc2 matches the state-of-the-art Ag-based catalyst sprayed onto a PTFE membrane, both in terms of selectivity and current density (Table 3, compare entries 10 and 12).
Al introducir un grupo trimetilamonio cargado positivamente en la ftalocianina de cobalto original, se ha obtenido un catalizador altamente eficiente y versátil para la conversión electroquímica de CO2 a CO en agua. Además, funciona con una alta selectividad (del 92 al 96 %) en una amplia gama de pH, que va desde condiciones ácidas (pH 4) hasta condiciones básicas (pH 14). En condiciones ácidas y neutras, se obtuvieron de manera rutinaria densidades de corriente cercanas a 20 mA cm<-2>. En una disolución de electrolito de KOH 1 M, se podrían obtener las mismas densidades de corriente con un sobrepotencial muy bajo de 200 mV, una vez que el catalizador híbrido mezclado con soporte de carbono se incluyera en una celda de flujo de gas. A -0,92 V frente a RHE, se encontró una corriente parcial para la producción de CO de 165 mAcm<-2>con una selectividad catalítica del 94 %. Estos resultados muestran que los materiales catalíticos híbridos que incluyen sólo carbono y un complejo molecular basado en metales abundantes en la tierra pueden rivalizar con los nanomateriales de metales nobles como el Ag y el Au. Este estudio destaca que el ajuste racional de la estructura de los complejos metálicos simples puede permitir un alto rendimiento, y es probable que aún no se produzcan mejoras adicionales. Finalmente, este trabajo abre nuevas perspectivas para el desarrollo de materiales catalíticos de bajo coste que van a incluirse en los electrolizadores de CO2. By introducing a positively charged trimethylammonium group onto the parent cobalt phthalocyanine, a highly efficient and versatile catalyst for the electrochemical conversion of CO2 to CO in water has been obtained. Furthermore, it operates with high selectivity (92–96%) over a wide pH range, from acidic (pH 4) to basic (pH 14) conditions. Under both acidic and neutral conditions, current densities close to 20 mA cm<-2> were routinely obtained. In a 1 M KOH electrolyte solution, the same current densities could be obtained with a very low overpotential of 200 mV, once the carbon-supported hybrid catalyst was included in a gas flow cell. At -0.92 V vs. RHE, a partial current for CO production of 165 mAcm<-2> was found with a catalytic selectivity of 94%. These results show that hybrid catalytic materials comprising only carbon and a molecular complex based on earth-abundant metals can compete with noble metal nanomaterials such as Ag and Au. This study highlights that rational tuning of the structure of simple metal complexes can enable high performance, with further improvements likely to follow. Finally, this work opens new prospects for the development of low-cost catalytic materials for inclusion in CO2 electrolyzers.
Información complementaria Additional information
Métodos Methods
Todas las reacciones electrocatalíticas se llevaron a cabo bajo una atmósfera de argón o CO2. Los productos químicos, incluyendo elCoPcly los electrolitos de soporte, se obtuvieron de proveedores comerciales. La sección de información complementaria describe la síntesis y caracterización deCoPc2yFeTnT, así como los protocolos típicos para la reducción electrocatalítica de CO2. All electrocatalytic reactions were carried out under an argon or CO2 atmosphere. Chemicals, including CoPc and supporting electrolytes, were obtained from commercial suppliers. The Supplementary Information section describes the synthesis and characterization of CoPc and FeTnT, as well as typical protocols for the electrocatalytic reduction of CO2.
Protocolo típico para la reducción electrocatalítica de CO<2>.Tras la preparación de una tinta catalítica que conteníaFeTnT, CoPcl o CoPc2,y la deposición del material sobre papel carbón poroso, se realizó una electrólisis de potencial controlado en una celda electroquímica cerrada o en un electrolizador de celda de flujo utilizando un potenciostato PARSTAT 4000 (Princeton Applied Research). Los análisis de cromatografía de gases de los gases desprendidos en el espacio de cabeza durante la electrolisis se realizaron con un sistema de CG Agilent Technologies 7820A equipado con un detector de conductividad térmica. Estas condiciones permitieron la detección simultánea tanto de H2, O2, N2, CO, como de CO2. Se determinaron curvas de calibración para H2 y CO por separado inyectando cantidades conocidas de gas puro. Typical protocol for the electrocatalytic reduction of CO<2>. Following preparation of a catalytic ink containing FeTnT, CoPcl or CoPc2, and deposition of the material on porous carbon paper, controlled potential electrolysis was performed in a closed electrochemical cell or flow cell electrolyzer using a PARSTAT 4000 potentiostat (Princeton Applied Research). Gas chromatographic analyses of the gases evolved in the headspace during electrolysis were performed on an Agilent Technologies 7820A GC system equipped with a thermal conductivity detector. These conditions allowed simultaneous detection of H2, O2, N2, CO, and CO2. Calibration curves for H2 and CO were determined separately by injecting known amounts of pure gas.
Consideraciones generales General considerations
Productos químicos y métodos de caracterización Chemicals and characterization methods
Los productos químicos y materiales se adquirieron de Sigma-Aldrich, Fluka, TCI America, ABCR o Alfa Aesar y se usaron tal como se recibieron. Todas las disoluciones acuosas se prepararon con agua Millipore (18,2 MQ cm). Los MWCNT se adquirieron de Sigma-Aldrich (D.E. * L 6-9 nm * 5 pm, > 95 %). La ftalocianina de cobalto (II)(CoPcl)(forma p, contenido de colorante del 97 %) se adquirió de Sigma-Aldrich. Papel carbón de Toray (número CAS: 7782 42-5), TGP-H-60, de 19 x 19 cm, se adquirió de Alfa Aesar y se usó para la preparación de los cátodos 9 para la celda electroquímica. Los cátodos 9 (electrodos de difusión de gas) utilizados en la celda de flujo se prepararon usando papel carbón Freudenberg C24H5 (21 x 29,7 cm, código de producto F5GDL). Negro de carbono especial VULCAN® XC72R se adquirió de Cabot Corporation. Chemicals and materials were purchased from Sigma-Aldrich, Fluka, TCI America, ABCR, or Alfa Aesar and used as received. All aqueous solutions were prepared with Millipore water (18.2 MQ cm). MWCNTs were purchased from Sigma-Aldrich (O.D.*L 6-9 nm*5 pm, >95%). Cobalt(II) phthalocyanine (CoPcl)(p-form, dye content 97%) was purchased from Sigma-Aldrich. Toray carbon paper (CAS number: 7782 42-5), TGP-H-60, 19 x 19 cm, was purchased from Alfa Aesar and used for the preparation of the cathodes 9 for the electrochemical cell. The 9 cathodes (gas diffusion electrodes) used in the flow cell were prepared using Freudenberg C24H5 carbon paper (21 x 29.7 cm, product code F5GDL). VULCAN® XC72R specialty carbon black was purchased from Cabot Corporation.
El 4-terc-butilftalonitrilo se obtuvo de TCI America. El 3-nitroftalonitrilo se adquirió de ABCR. Todos los disolventes eran de calidad de síntesis. Los espectros de infrarrojo (IR) se registraron en un espectrofotómetro FTIR Bio-Rad FTS 175C. Los espectros de absorción UV-visible se obtuvieron usando un espectrofotómetro UV Shimadzu 2001. Los espectros de masas de alta resolución se midieron en un espectrómetro de CL/EM Agilent 6530 Accurate-Mass Q-TOF equipado con una fuente de ionización por electrospray (ESI). Los espectros de RMN se registraron en cloroformo deuterado (CDCb) y THF-d8 en un espectrómetro Varian de 500 MHz. Los puntos de fusión se registraron en un aparato Stuart SMP. 4-tert-Butylphthalonitrile was obtained from TCI America. 3-Nitrophthalonitrile was purchased from ABCR. All solvents were of synthetic grade. Infrared (IR) spectra were recorded on a Bio-Rad FTS 175C FTIR spectrophotometer. UV–visible absorption spectra were obtained using a Shimadzu 2001 UV spectrophotometer. High-resolution mass spectra were measured on an Agilent 6530 Accurate-Mass Q-TOF LC/MS spectrometer equipped with an electrospray ionization (ESI) source. NMR spectra were recorded in deuterated chloroform (CDCb) and THF-d8 on a Varian 500 MHz spectrometer. Melting points were recorded on a Stuart SMP apparatus.
Síntesis de FeTNT Synthesis of FeTNT
Se prepara una disolución de tetracloruro de 5,10,15,20-tetraquis(4-trimetilamoniofenil)porfirina (250 mg, 0,253 mmol, 1 eq) en agua (500 ml) y se pone bajo flujo de argón, se añade sal de Mohr a la disolución (810 mg, 3,75 mmol, 15 eq) y la disolución se calienta hasta 85 °C durante 4 h. Se añade hexafluorofosfato de amonio (2,5 g, 15 mmol, 60 eq) y el precipitado obtenido se separa por centrifugación (10000 rpm, 30 min). El sólido rojo obtenido se enjuaga una vez en agua pura y se separa de nuevo por centrifugación (10000 rpm, 30 min), luego se enjuaga una vez en una mezcla 1 a 1 de cloroformo y acetona y se separa por centrifugación (10000 rpm, 30 min). El disolvente residual se evapora bajo flujo de argón. Rendimiento: 92%(343 mg) UV-Vis (DMF): Amáx. nm (log £) 407 (4), 568 (4,98). A solution of 5,10,15,20-tetrakis(4-trimethylammoniophenyl)porphyrin tetrachloride (250 mg, 0.253 mmol, 1 eq) in water (500 ml) is prepared and placed under argon flow, Mohr's salt is added to the solution (810 mg, 3.75 mmol, 15 eq) and the solution is heated to 85 °C for 4 h. Ammonium hexafluorophosphate (2.5 g, 15 mmol, 60 eq) is added and the precipitate obtained is separated by centrifugation (10000 rpm, 30 min). The red solid obtained is rinsed once in pure water and separated again by centrifugation (10000 rpm, 30 min), then rinsed once in a 1 to 1 mixture of chloroform and acetone and separated by centrifugation (10000 rpm, 30 min). The residual solvent is evaporated under argon flow. Yield: 92% (343 mg) UV-Vis (DMF): Amax nm (log £) 407 (4), 568 (4.98).
El catalizador de cobaltoCoPc2se preparó como se ilustra aquí: The cobalt catalyst CoPc2 was prepared as illustrated here:
Síntesis de 3-(dimetilamino)ftalonitrilo 1 Synthesis of 3-(dimethylamino)phthalonitrile 1
El 3-nitroftalonitrilo (2 g, 11,5 mmol) y el clorhidrato de dimetilamina (2,8 g, 34,6 mmol) se disolvieron en DMF anhidra (30 ml) bajo una atmósfera de argón y luego se añadió carbonato de potasio seco en polvo fino (30 g, 217,5 mmol) en porciones durante 15 min. La mezcla de reacción se agitó bajo argón a 65 °C durante 24 h y luego se vertió en agua (250 ml). El sólido resultante se recogió por filtración y se lavó con agua. Tras secar a vacío, el producto en bruto se recristalizó en etanol. Rendimiento: 80 % (1,57 g). punto de fusión 105 °C.<1>H-RMN (500 MHz, CdCb): 8, ppm, 3,18 (s, 6 H), 7,12 (d, 1 H), 7,15 (d, 1 H), 7,46 (t, 1 H).<13>C-RMN (125 MHz, CdCb): 8, ppm 172,4, 155,4, 133,1, 123,0, 120,5, 118,0, 116,6, 116,3, 110,0, 100,6, 42,7. FT-IR (v, cm<-1>): 2992, 2937, 2874, 2203, 1584, 1486, 1425, 1357, 1244, 1192, 1122, 1008, 792, 722. 3-Nitrophthalonitrile (2 g, 11.5 mmol) and dimethylamine hydrochloride (2.8 g, 34.6 mmol) were dissolved in anhydrous DMF (30 ml) under an argon atmosphere, and then finely powdered dry potassium carbonate (30 g, 217.5 mmol) was added portionwise over 15 min. The reaction mixture was stirred under argon at 65 °C for 24 h and then poured into water (250 ml). The resulting solid was collected by filtration and washed with water. After drying in vacuo, the crude product was recrystallized from ethanol. Yield: 80% (1.57 g). melting point 105 °C.<1>H-NMR (500 MHz, CdCb): 8, ppm, 3.18 (s, 6 H), 7.12 (d, 1 H), 7.15 (d, 1 H), 7.46 (t, 1 H).<13>C-NMR (125 MHz, CdCb): 8, ppm 172.4, 155.4, 133.1, 123.0, 120.5, 118.0, 116.6, 116.3, 110.0, 100.6, 42.7. FT-IR (v, cm<-1>): 2992, 2937, 2874, 2203, 1584, 1486, 1425, 1357, 1244, 1192, 1122, 1008, 792, 722.
Síntesis de ftalocianina 3 Synthesis of phthalocyanine 3
Se añadieron gránulos de litio a n-pentanol anhidro (10 ml). Esta mezcla se calentó hasta 60 °C bajo flujo de argón hasta el consumo total de los gránulos. Luego se añadieron 3-(dimetilamino)ftalonitrilo1(0,25 g, 1,46 mmol) y 4-tercbutilftalonitrilo2(3,2 g, 17,52 mmol) y esta mezcla de reacción se calentó a reflujo durante 18 h, luego se enfrió hasta temperatura ambiente y se vertió en una mezcla de etanol/agua. El precipitado azul verdoso oscuro resultante se separó por filtración, se lavó varias veces con agua y se secó. La ftalocianina3se aisló de esta mezcla en bruto de ftalocianinas por cromatografía sobre gel de sílice usando una mezcla de CH2Cl2/EtOH (100:1) como eluyente. La tetra-terc-butilftalocianina4se eluyó primero y la ftalocianina3fue el segundo compuesto eluido. Rendimiento: 15 % (160 mg).<1>H-RMN (500 MHz, THF-da): 8, ppm -2,04 (s, 1H), -1,95 (s, 1H), 1,84 (m, 10H), 1,88-1,94 (m, 17H), 3,70 (s, 3H), 7,45 (d, 1H), 7,79 (m, 1H), 8,10-8,40 (m, 4H), 8,61 (d, 1H), 8,85-8,91 (m, 1H), 8,98- 9,24 (m, 4H),<13>C-RMN (125 MHz, THF-da): 8, ppm 152,97, 152,94, 152,88, 152,84, 152,61, 152,58, 150,16, 150,12, 133,67, 129,92, 127,43, 127,30, 127,22, 126,75, 125,50, 122,12, 122,07, 121,93, 121,90, 121,77, 118,69, 118,65, 118,51, 118,48, 118,41, 117,87, 117,83, 114,74, 78,54, 78,28, 78,02, 44,36, 39,98, 37,15, 37,06, 35,67, 35,60, 35,50, 31,89, 31,43, 31,32, 29,65, 29,32, 22,58, 13,43. ESI-HRMS: m/z 726,4030 [M]+ calculado para C46H47N9: 725,95. UV-Vis (DMF): Amáx. nm (log e) 346 (3,90), 689 (4,87), 718 (5,38). FT-IR (v, cm<’ 1>): 3288, 2955, 2863, 2776, 1618, 1501, 1316, 1186, 1014, 828, 742. Lithium pellets were added to anhydrous n-pentanol (10 ml). This mixture was heated to 60 °C under argon flow until complete consumption of the pellets. Then 3-(Dimethylamino)phthalonitrile1 (0.25 g, 1.46 mmol) and 4-tert-butylphthalonitrile2 (3.2 g, 17.52 mmol) were added and this reaction mixture was heated under reflux for 18 h, then cooled to room temperature and poured into an ethanol/water mixture. The resulting dark greenish-blue precipitate was filtered off, washed several times with water and dried. Phthalocyanine3 was isolated from this crude phthalocyanine mixture by chromatography on silica gel using a CH2Cl2/EtOH (100:1) mixture as eluent. Tetra-tert-butylphthalocyanine4 was eluted first and phthalocyanine3 was the second compound to elute. Yield: 15% (160 mg).<1>H-NMR (500 MHz, THF-da): 8, ppm -2.04 (s, 1H), -1.95 (s, 1H), 1.84 (m, 10H), 1.88-1.94 (m, 17H), 3.70 (s, 3H), 7.45 (d, 1H), 7.79 (m, 1H), 8.10-8.40 (m, 4H), 8.61 (d, 1H), 8.85-8.91 (m, 1H), 8.98- 9.24 (m, 4H),<13>C-NMR (125 MHz, THF-da): 8, ppm 152.97, 152.94, 152.88, 152.84, 152.61, 152.58, 150.16, 150.12, 133.67, 129.92, 127.43, 127.30, 127.22, 126.75, 125.50, 122.12, 122.07, 121.93, 121.90, 121.77, 118.69, 118.65, 118.51, 118.48, 118.41, 117.87, 117.83, 114.74, 78.54, 78.28, 78.02, 44.36, 39.98, 37.15, 37.06, 35.67, 35.60, 35.50, 31.89, 31.43, 31.32, 29.65, 29.32, 22.58, 13.43. ESI-HRMS: m/z 726.4030 [M]+ calculated for C46H47N9: 725.95. UV-Vis (DMF): Amax. nm (log e) 346 (3.90), 689 (4.87), 718 (5.38). FT-IR (v, cm<’ 1>): 3288, 2955, 2863, 2776, 1618, 1501, 1316, 1186, 1014, 828, 742.
Síntesis de ftalocianina 5 Synthesis of phthalocyanine 5
Una mezcla de ftalocianina3(50 mg, 0,06 mmol), CoCb (18 mg, 0,12 mmol) y DBU (1 ml) en n-pentanol seco (5 ml) se calentó a reflujo durante 18 h bajo argón. Tras enfriar hasta temperatura ambiente, la mezcla de reacción se vertió en una mezcla de etanol/agua. El precipitado resultante se separó por filtración y se lavó varias veces con agua. La ftalocianina5se purificó por cromatografía sobre gel de sílice usando una mezcla de CH2Cb/EtOH (50:1) como eluyente. Rendimiento: 75 % (35 mg). ESI-HRMS: m/z 782,3234 [M]+ calculado para C<46>H<45>CoNg: 782,86. UV-Vis (DMF): Amáx. nm (log e) 332 (3,70), 693 (4,74); FT-IR (v, cm<-1>): 2955, 2856, 1606, 1457, 1316, 1254, 1094, 804, 737. A mixture of phthalocyanine3 (50 mg, 0.06 mmol), CoCb (18 mg, 0.12 mmol) and DBU (1 ml) in dry n-pentanol (5 ml) was heated under reflux for 18 h under argon. After cooling to room temperature, the reaction mixture was poured into an ethanol/water mixture. The resulting precipitate was filtered off and washed several times with water. Phthalocyanine5 was purified by chromatography on silica gel using a mixture of CH2Cb/EtOH (50:1) as eluent. Yield: 75% (35 mg). ESI-HRMS: m/z 782.3234 [M]+ calcd for C<46>H<45>CoNg: 782.86. UV-Vis (DMF): Amax. nm (log e) 332 (3.70), 693 (4.74); FT-IR (v, cm<-1>): 2955, 2856, 1606, 1457, 1316, 1254, 1094, 804, 737.
Síntesis de ftalocianina CoPc2 Synthesis of phthalocyanine CoPc2
La ftalocianina 5 (35 mg, 0,044 mmol) se disolvió en DMF (5 ml) y se añadió yoduro de metilo (0,2 g, 1,5 mmol). La mezcla se agitó a temperatura ambiente durante 16 h y luego se vertió en dietil éter (25 ml). El precipitado azul resultante se separó por filtración, se lavó con éter y se secó. Rendimiento: 32 mg (88 %). ESI-HRMS: m/z 797,3668 [M]+ calculado para C<47>H<48>CoNg: 797,90. Calcul. anal. para C<47>H<58>CoINgO<5>(CoPc2.5H<2>O): C, 55,28; H, 5,98; N, 11,88; Encontrado: C, 55,62; H, 5,76; N, 12,42; UV-Vis (DMF): Amáx. nm (log e) 326 (4,41), 664 (4,65). FT-IR (v, cm<-1>) 3047, 2949, 2851, 1655, 1606, 1476, 1328, 1254, 1088, 933, 829, 749. Phthalocyanine 5 (35 mg, 0.044 mmol) was dissolved in DMF (5 mL) and methyl iodide (0.2 g, 1.5 mmol) was added. The mixture was stirred at room temperature for 16 h and then poured into diethyl ether (25 mL). The resulting blue precipitate was filtered off, washed with ether, and dried. Yield: 32 mg (88%). ESI-HRMS: m/z 797.3668 [M]+ calcd for C<47>H<48>CoNg: 797.90. Anal. calcl. for C<47>H<58>CoINgO<5>(CoPc2.5H<2>O): C, 55.28; H, 5.98; N, 11.88; Found: C, 55.62; H, 5.76; N, 12.42; UV-Vis (DMF): Amax. nm (log e) 326 (4.41), 664 (4.65). FT-IR (v, cm<-1>) 3047, 2949, 2851, 1655, 1606, 1476, 1328, 1254, 1088, 933, 829, 749.
Preparación de los materiales híbridos Preparation of hybrid materials
Para los experimentos de CV y la electrólisis en la celda de electrólisis cerrada, se dispersaron 3 mg de MWCNT en 2 ml de mezcla de etilenglicol (EG)/etanol (EtOH) 1:1 (v/v), seguida de 30 minutos de sonicación. Se disolvió 1 mg del catalizador de cobalto(CoPcl, CoPc2)en 1 ml de mezcla de EG/EtOH. Se añadieron diversos volúmenes de esta disolución a la suspensión de MWCNT en un volumen total de 3 ml, para obtener una razón en masa (1:6, 1:15 y 1:30) del catalizador. La suspensión se sonicó adicionalmente durante 30 min. Finalmente, se añadió Nafion® (2,9 %, 30 pl) y la mezcla completa se sonicó durante 30 min para obtener la tinta catalítica final. For CV experiments and electrolysis in the closed electrolysis cell, 3 mg of MWCNTs were dispersed in 2 mL of 1:1 (v/v) ethylene glycol (EG)/ethanol (EtOH) mixture, followed by 30 min of sonication. 1 mg of cobalt (CoPcl, CoPc2) catalyst was dissolved in 1 mL of EG/EtOH mixture. Various volumes of this solution were added to the MWCNT suspension in a total volume of 3 mL, to obtain mass ratios (1:6, 1:15, and 1:30) of the catalyst. The suspension was further sonicated for 30 min. Finally, Nafion® (2.9%, 30 pl) was added, and the entire mixture was sonicated for 30 min to obtain the final catalytic ink.
Para la configuración de la celda de flujo, se dispersaron 3 mg de negro de carbono en 3 ml de EtOH, seguidos de 30 min de sonicación. Se disolvieron 0,2 mg deCoPc2en 1 ml de EtOH para obtener una razón en masa (1:15) del catalizador. La suspensión se sonicó adicionalmente durante 30 min. Finalmente, se añadió Nafion® (2,9 %, 30 pl) y la mezcla completa se sonicó durante 30 min para obtener la tinta catalítica final. La tinta se sometió a colada gota a gota sobre papel carbón enmascarado con un marco de teflón para obtener un área de electrodo de 1*1 cm<2>. For the flow cell setup, 3 mg of carbon black was dispersed in 3 mL of EtOH, followed by 30 min of sonication. 0.2 mg of CoPc2 was dissolved in 1 mL of EtOH to obtain a mass ratio (1:15) of the catalyst. The suspension was further sonicated for 30 min. Finally, Nafion® (2.9%, 30 pl) was added and the entire mixture was sonicated for 30 min to obtain the final catalytic ink. The ink was drop-cast onto carbon paper masked with a Teflon frame to obtain an electrode area of 1*1 cm<2>.
Estudios electroquímicos Electrochemical studies
Las electrólisis de potencial controlado se realizaron usando un potenciostato PARSTAT 4000 (Princeton Applied Research). Controlled potential electrolyses were performed using a PARSTAT 4000 potentiostat (Princeton Applied Research).
Electrólisis a escala preparativa Preparative scale electrolysis
En la celda cerrada, los experimentos se llevaron a cabo en una celda utilizando un papel carbón de Toray como electrodo de trabajo y un electrodo de referencia SCE colocado muy cerca uno del otro. El contraelectrodo de rejilla de Pt se separó del compartimento catódico con una frita de vidrio. La tinta catalítica se dejó caer sobre una cara del cátodo 9 de papel carbón de Toray (100 pl para un electrodo de 0,5 cm<2>) y se dejó secar en condiciones ambientales antes de su uso. La configuración completa de la celda era idéntica a la utilizada anteriormente.<18>In the closed cell, experiments were carried out in a cell using a Toray carbon paper as the working electrode and an SCE reference electrode placed in close proximity to each other. The Pt grid counter electrode was separated from the cathode compartment with a glass frit. The catalytic ink was dropped onto one side of the Toray carbon paper cathode 9 (100 pl for a 0.5 cm<2> electrode) and allowed to dry under ambient conditions before use. The complete cell setup was identical to that used previously.<18>
El electrolizador de celda de flujo 1 (Micro Flow Cell® adquirido por Electrocell) está compuesto por un sándwich de marcos de flujo, electrodos, juntas y una membrana que, cuando se ensamblan como se ilustra en la figura 14, constituyen una celda de flujo de tres compartimentos. Un compartimento suministra el CO2 (a 16,7 sccm) desde la parte posterior y a través del electrodo de difusión de gas (GDE, 1x1 cm<2>, fijado en un marco de Pt), mientras que otro dirige la disolución de catolito (KOH 1 M, velocidad de flujo de 16 sccm) entre el GDE y la membrana de intercambio aniónico 10 (AEM, Sustainion™ X37-50). En el otro lado de esta última, el anolito (K<o>H 1 M, velocidad de flujo de 16 sccm) se dirige entre la AEM y el ánodo de aleación de Pt/Ti 2. Los marcos de flujo están fabricados de PTFE y las juntas de EDPM curado con peróxido. El catolito y el anolito se reciclaron usando bombas peristálticas. Todos los tubos estaban fabricados de PTFE y conectados a la celda con virolas y accesorios de PEEK. La configuración completa se muestra esquemáticamente a continuación (figura 16). The flow cell electrolyzer 1 (Micro Flow Cell® purchased by Electrocell) is composed of a sandwich of flow frames, electrodes, gaskets, and a membrane that, when assembled as illustrated in Figure 14, constitute a three-compartment flow cell. One compartment delivers CO2 (at 16.7 sccm) from the back and through the gas diffusion electrode (GDE, 1x1 cm<2>, fixed on a Pt frame), while another directs the catholyte solution (1 M KOH, flow rate 16 sccm) between the GDE and the anion exchange membrane 10 (AEM, Sustainion™ X37-50). On the other side of the latter, the anolyte (1 M K<o>H, flow rate of 16 sccm) is directed between the AEM and the Pt/Ti 2 alloy anode. The flow frames are made of PTFE and the gaskets are made of peroxide-cured EDPM. The catholyte and anolyte were recycled using peristaltic pumps. All tubing was made of PTFE and connected to the cell with PEEK ferrules and fittings. The complete setup is shown schematically below (Figure 16).
Detección de gas Gas detection
Los análisis de cromatografía de gases de los gases muestreados desde el espacio de cabeza durante la electrolisis se realizaron con un sistema de CG Agilent Technologies 7820A equipado con un detector de conductividad térmica. La producción de CO y H2 se detectó de manera cuantitativa usando una columna capilar CP-CarboPlot P7 (27,46 m de longitud y 25 pm de diámetro interno). La temperatura se mantuvo a 150 °C para el detector y 34 °C para el horno. El gas portador fue argón fluyendo a 9,5 ml/min a una presión constante de 0,4 bar. La inyección se realizó a través de una jeringa de 250 pl hermética a gases (Hamilton) previamente desgasificada con CO2. Estas condiciones permitieron la detección simultánea tanto de H2, O2, N2, CO, como de CO2. Se determinaron curvas de calibración para H2 y CO por separado inyectando cantidades conocidas de gas puro. Gas chromatographic analyses of the gases sampled from the headspace during electrolysis were performed using an Agilent Technologies 7820A GC system equipped with a thermal conductivity detector. CO and H2 production were quantitatively detected using a CP-CarboPlot P7 capillary column (27.46 m length and 25 pm internal diameter). The temperature was maintained at 150 °C for the detector and 34 °C for the furnace. The carrier gas was argon flowing at 9.5 ml/min at a constant pressure of 0.4 bar. Injection was performed through a 250 pl gas-tight syringe (Hamilton) previously degassed with CO2. These conditions allowed simultaneous detection of H2, O2, N2, CO, and CO2. Calibration curves for H2 and CO were determined separately by injecting known amounts of pure gas.
Análisis de XPS XPS Analysis
Se usó un espectrómetro fotoelectrónico de rayos X THERMO-VG ESCALAB 250 (fuente de RX K Al (1486,6 eV)). A THERMO-VG ESCALAB 250 X-ray photoelectron spectrometer (K Al (1486.6 eV) RX source) was used.
Recopilación y análisis de datos de XAS XAS data collection and analysis
Los espectros de absorción de rayos X (XAS) se recogieron en la línea de luz LUCIA de SOLEIL con una energía de anillo de 2,75 GeV y una corriente de 490 mA. La energía se monocromatizó mediante un monocromador de doble cristal de Si(111). Los datos se recogieron en una cámara de vacío primaria como espectros de fluorescencia con un ángulo de salida de 5° utilizando un detector de desviación de silicio Bruker. Los datos se normalizaron a la intensidad de la energía incidente entrante y se procesaron con el software Athena del paquete IFEFFIT. Para el análisis de EXAFS, se utilizó un valor de E0 de 7722,0 eV para la energía de salto del borde K del cobalto. X-ray absorption spectra (XAS) were collected at SOLEIL's LUCIA beamline with a ring energy of 2.75 GeV and a current of 490 mA. The energy was monochromatized by a Si(111) double-crystal monochromator. Data were collected in a primary vacuum chamber as fluorescence spectra at an exit angle of 5° using a Bruker silicon offset detector. Data were normalized to the incoming incident energy intensity and processed with Athena software from the IFEFFIT package. For EXAFS analysis, an E0 value of 7722.0 eV was used for the cobalt K-edge hopping energy.
Análisis de SEM SEM analysis
La microscopía electrónica de barrido usando un cañón de emisión de campo (SEM-FEG) se realizó usando un dispositivo Zeiss Supra 40. Scanning electron microscopy using a field emission gun (SEM-FEG) was performed using a Zeiss Supra 40 device.
Tercera realización Third realization
Los inventores sometieron a prueba la cuaterpiridina de cobalto (Co(qpy)) en la misma celda que en la primera realización. Se han realizado dos tipos de experimentos con el Co(qpy). La eficiencia faradaica del CO se ha medido mediante cronopotenciometría a varias densidades de corriente y la estabilidad del catalizador se ha determinado a 50 mA/cm<2>. The inventors tested cobalt quaterpyridine (Co(qpy)) in the same cell as in the first embodiment. Two types of experiments were performed with Co(qpy). The faradaic efficiency of CO was measured by chronopotentiometry at various current densities, and the catalyst stability was determined at 50 mA/cm<2>.
Durante el experimento de cronopotenciometría, el Co(qpy) mostró eficiencias faradaicas para el CO superiores al 90 % a densidades de corriente inferiores a 100 mA/cm<2>. Luego, a mayores densidades de corriente, la eficiencia faradaica del CO disminuye drásticamente. During the chronopotentiometry experiment, Co(qpy) showed faradaic efficiencies for CO exceeding 90% at current densities below 100 mA/cm<2>. Then, at higher current densities, the faradaic efficiency of CO decreases dramatically.
En la figura 26, la Co(qpy) puede mantener a 50 mAcm-2 una eficiencia faradaica superior al 90% parael CO durante 12 horas. La disminución es constante hasta 24 horas de experimentos. Entonces, la eficiencia faradaica cae por debajo del 40 % para el CO. In Figure 26, Co(qpy) can maintain a faradaic efficiency above 90% for CO at 50 mAcm-2 for 12 hours. The decline is constant up to 24 hours of experiments. Then, the faradaic efficiency drops below 40% for CO.
ReferenciasReferences
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10. Wang, M., Chen, L., Lau, T-C., Robert, M. Hybrid Co quaterpyridine complex /carbon nanotube catalytic material for CO2 reduction in water. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 7769-7773 (2018). 10. Wang, M., Chen, L., Lau, T-C., Robert, M. Hybrid Co quaterpyridine complex/carbon nanotube catalytic material for CO2 reduction in water. Angew. Chem. Int. Ed. 57, 7769-7773 (2018).
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14. Verma, S., Hamasaki, Y., Kim, C., Huang, W, Lu, S., Jhong, H-R. M., Gewirth, A. A., Fujigaya, T., Nakashima, N., Kenis, P. J. A. Insights into the low overpotential electroreduction of CO2 to CO on a supported gold catalyst in an alkaline flow electrolyzer. ACS Energy Lett. 3, 193-198 (2018). 14. Verma, S., Hamasaki, Y., Kim, C., Huang, W, Lu, S., Jhong, H-R. M., Gewirth, A. A., Fujigaya, T., Nakashima, N., Kenis, P. J. A. Insights into the low overpotential electroreduction of CO2 to CO on a supported gold catalyst in an alkaline flow electrolyzer. ACS Energy Lett. 3, 193-198 (2018).
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