Synthesis and Functionalization of Carbon-based Materials For Electrochemical Conversion of CO2

Synthesis and Functionalization of Carbon-based Materials For Electrochemical Conversion of CO2. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
thesis file1 -final draft eprint edited.pdf
Restricted to Repository staff only until 5 August 2023.

Download (24MB)
[img] PDF
thesis file1 -final draft eprint edited.pdf
Restricted to Repository staff only until 6 August 2023.

Download (24MB)

Arabic Abstract

يشكل التحويل الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون طريقة بحث واعدة لحل الأزمة البيئية المرتبطة بمشكلة الطاقة. كجزء أساس من نظام التحويل الكهروكيميائي، هناك حاجة إلى محفزات كهربائية فعالة لتحسين انتقائية المركبات الناتجة وتقليل الجهد الزائد وتوفير تفاعلات كهروكيميائية مستقرة. تطرح هذه الرسالة تحويل ثاني أكسيد الكربون للإيثانول من خلال استعمال محفزات كيميائية فعالة. تمت صناعة المحفزات المستعملة من خلال دمج الجزيئات النحاسية النانوية في مكعبات الكربون المسامية المعدلة بالنيتروجين. الانحلال الحراري لكاتيونات النحاس المنسقة مع مركبات النيتروجين متغايرة الحلقات أدت الى فصل الجزيئات النحاسية النانوية من المركب معقد التنسيق. هذه العملية جعلت الجزيئات النانوية متوزعة ومعرضة للتفاعل في جميع أنحاء مكعبات الكربون المسامية. بذلك تم انتاج المحفز الكهربائي الأول، هذا المحفز أدى إلى تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى إيثانول عند جهد منخفض في 0.5 فولت في وسط ايونات بيكربونات البوتاسيوم تركيز 0.5 مولار. ترشيح هذا المحفز باستخدام حمض قوي لمدة ساعة مرة وست ساعات مرة أخرى انتج محفزان اخران، ولكن أداء هذين المحفزين لم يكن بذات الكفاءة والفعالية. أظهر المحفز الكهروكيميائي الأول أقصى قدر من الكفاءة الفارادية لمركب الإيثانول بنسبة 50 ٪ عند -0.5 فولت مقابل قطب الهيدروجين القابل للانعكاس. تم الحصول على كثافة تيار مستقر طوال 10 ساعات. يمكن أن يعزى هذا الأداء إلى التآزر بين أنواع النيتروجين المختلفة خصوصا نوع البريديين، والجسيمات النحاسية النانوية وسطح الكربون المسامي معًا. هذا التآزر لم يؤد فقط الى تسهيل وصول فعال لجزيئات ثاني أكسيد الكربون الى المحفز، بل والى تنشيطها على سطح المحفز، والى توفير وسط مستقر للمواد التفاعلية الوسيطة. يتضح ذلك من خلال زيادة مساحة السطح النشطة كهروكيميائيا، والمسامية الغنية، وخصائص نقل الشحنة الفعالة. من خلال دمج المحفزات الكهربائية الثلاثة مع جزيئات القصدير النانوية عبر التوليف الحراري المائي تم انتاج ثلاث محفزات كهربائية أخرى. أدى ذلك الى تعديل انتقائية تفاعل تحويل ثاني أكسيد الكربون لينتج اول أكسيد الكربون ومركب الفورمات فقط بجانب انتاج الهيدروجين بطبيعة الحال. تباين كمية الجسيمات النحاسية النانوية في المحفزات الثلاثة أيضا غير من انتقائية التفاعل بين المركبات الثلاثة . تم انتاج الفورمات بشكل رئيس في المحفز المعدل الأول، ولكن المحفز المعدل الثاني تغيرت الإنتاجية لمركب أول أكسيد الكربون. عادت انتقائية المنتج للفورمات مع المحفز الثالث ولكن بكفاءة اعلى هذه المرة. أنتج المحفز الأخير الفورمات بكفاءة فارادية 39٪ نحو الفورمات عند -0.5 فولت مقابل قطب الهيدروجين القابل للانعكاس وحد أقصى 69٪ عند -1.1 فولت مقابل قطب الهيدروجين القابل للانعكاس.

English Abstract

Electrochemical conversion of CO2 forms a promising research method for solving the environmental crisis interconnected with the energy demand problem. However, efficient electrocatalysts are needed to improve product selectivity, reduce overpotentials and provide stable electrochemical reactions. This study provides efficient CO2 catalysis to ethanol through incorporation of Cu/CuxO into N-doped porous carbon cuboids. Pyrolysis of coordinated copper cations with nitrogen heterocycles allowed Cu/CuxO to detach from the coordination complex but remain dispersed throughout the porous carbon cuboids. The heterogenous composite Cu/CuxO-PCC-0h electrocatalyst reduced CO2 into ethanol at low overpotential in 0.5 M KHCO3 electrolyte providing better performance compared to the 1 hour and 6 hours leached catalysts: Cu/CuxO-PCC-1h and Cu/CuxO-PCC-6h. It exhibited maximum ethanol faradaic efficiency of 50% at -0.5 V vs reversible hydrogen electrode. Stable current density was obtained throughout 10 h time. This performance can be ascribed to the synergy between pyridinic nitrogen species, Cu/CuxO nanoparticles and porous carbon morphology; together providing efficient CO2 diffusion, activation, and intermediates stabilization. This is supported by the notable high electrochemically active surface area, rich porosity, and the efficient charge transfer properties. Depositing the three Cu/CuxO-PCC-0h, Cu/CuxO-PCC-1h and Cu/CuxO-PCC-6h electrocatalysts with SnOx nanoparticles via hydrothermal synthesis modulated the materials’ selectivity towards formate and CO only. Selectivity was changed from formate to CO on the 1 hour leached catalyst. However, formate selectivity was enhanced more on the 6-hour leached CuxO/SnOx-PCC-6h catalyst providing 39% FE towards formate at only -0.5 V vs RHE and a maximum 69% FE at -1.1 V vs RHE.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Chemistry
Chemical Engineering
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Baroud, Turki
Committee Members: Nouari, Saheb and Alhooshani, Khalid
Depositing User: MONTHER AL KOSHAB (g201472360)
Date Deposited: 08 Aug 2022 04:58
Last Modified: 08 Aug 2022 04:58
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142179