Development of Synergistic Tin/MXene-based Nanostructured Catalysts for Electrochemical Reduction of CO2 to Formate

لقد برز تفاعل تخفيض ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي كنهج ذي أولوية عالية لتحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ إلى منتجات ذات قيمة. كما يلعب تصميم المواد الحفازة الكهربائية دورًا رئيسيًا في إنشاء مواقع نشطة سطحية عالية الاستقرار والفعالية على الأقطاب الكهربائية، مما يشكل علاقة مهمة بين البنية والنشاط لتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى المنتجات المطلوبة. تركز هذه الدراسة على تطوير مواد حفازة هجينة غير متجانسة مصممة خصيصًا للإنتاج الانتقائي للفورمات. وبشكل ملحوظ، أظهر تفاعل تخفيض ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي باستخدام المواد الحفازة الكهربائية القائمة على المعادن الانتقالية إنتاجًا فائقًا للفورمات مقارنة بالمنتجات المنافسة مثل ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين. تحدد المنهجية المقترحة تصميم المواد الحفازة الكهربائية التآزرية عن طريق إقحام مراحل القصدير المختلفة بين طبقات المكسين ثنائية الأبعاد (كربيد التيتانيوم وكربيد الفاناديوم)، حصريًا لتفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي للفورمات. والمكسين، مشتق من كربيدات الألومنيوم المعدنية الثلاثية، ويستخدم كمواد حفازة مساعدة بسبب خصائصه الكهروكيميائية المتميزة. سيتم تصنيع طبقات المكسين بنسب مختلفة من أطوار القصدير التي تشتمل على فلز التكافؤ الصفري وأكاسيد القصدير. كما سيتم تقييم المواد الحفازة الكهربائية المُصنّعة باستخدام تقنيات مختلفة وتصنيعها كأقطاب كهربائية منتشرة بالغاز، مع وجود اختلافات في المناطق الهندسية (مجم/سم2). سيتم تقييم فعالية المواد الحفازة النشطة المحضرة في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى فورمات باستخدام النوع أتش والتدفق المستمر للخلايا الكهروكيميائية. كما سيتم تحسين تحميل المواد الحفازة وعوامل التفاعل باستخدام تفاعل تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي لتحقيق كفاءة فاراديكية عالية وكثافة تيار محسنة لإنتاج الفورمات. سيتم تقديم هذا المشروع البحثي إلى مجال الطاقة بمؤسسة الكويت للتقدم العلمي، لمعالجة التحديات المرتبطة باستخدام ثاني أكسيد الكربون. مدة المشروع سنتان، بميزانية إجمالية قدرها 141,620 د.ك، ومن المتوقع تمويل جزئي من مؤسسة الكويت للتقدم العل

Electrochemical CO2 reduction reaction (eCO2RR) has emerged as a high-priority approach for converting anthropogenic CO2 emissions into valuable products. The design of electrocatalysts plays a key role in establishing highly stable and efficient surface active sites on electrodes, forming crucial structure-activity relationships for reducing CO2 to desired products. This study focuses on the development of a hybrid heterostructured catalyst tailored specifically for the selective production of formate. Significantly, eCO2RR with p-block transition metals-based electrocatalysts has exhibited a superior yield of formate compared to competing products such as CO and H2. The proposed methodology specifies the design of synergistic electrocatalysts by intercalating various Sn phases between two-dimensional MXene layers (Ti3C2 and V2C), exclusively for eCO2RR to formate. MXenes, derived from ternary metal aluminum carbides, are used as co-catalysts due to their outstanding electrochemical characteristics. MXene layers with different ratios of Sn phases encompassing zero-valence metallic and Sn-oxides will be synthesized. The synthesized electrocatalysts will be characterized using various techniques and fabricated as gas-diffused electrodes, with variations in geometric areas (mg/cm2). The effectiveness of prepared active catalysts in converting CO2 to formate using H-type and continuous-flow electrochemical cells will be evaluated. Catalyst loading and reaction parameters will be optimized with eCO2RR to achieve a high faradic efficiency and an improved current density of formate production. This research project will be submitted to the Energy Domain of the Kuwait Foundation for the Advancement of Sciences (KFAS), addressing the challenges associated with CO2 utilization. The project duration is 2 years, with a total bu