Avanços Recentes no Design de Materiais de Cátodo para Eletrolise de CO2: Da Temperatura Ambiente a Temperaturas Elevadas

ConspectusO crescimento econômico rápido e o desenvolvimento social levaram a uma demanda cada vez maior por energia; a exploração e o uso excessivo de combustíveis fósseis causaram um nível alarmante de emissão de dióxido de carbono (CO2) na atmosfera, impactando negativamente o meio ambiente e a qualidade de vida na sociedade humana. A eletrolise de CO2 (CO2RR) oferece a oportunidade de armazenar energia renovável (como energia eólica, solar ou das marés) na forma de produtos químicos e combustíveis enquanto reduz as emissões de CO2. Através do processo CO2RR, uma variedade de produtos químicos e combustíveis pode ser obtida usando diferentes eletrocatalisadores. Com base nas diferentes temperaturas de operação e condições de reação, a eletrolise de CO2 pode ser categorizada em CO2RR de baixa temperatura e CO2RR de alta temperatura. Até o momento, grandes esforços foram dedicados ao design de eletrocatalisadores que podem melhorar o desempenho eletrocatalítico para CO2RR, incluindo atividade catalítica, seletividade e estabilidade. Para CO2RR de baixa temperatura, diferentes abordagens têm sido utilizadas para otimizar a estrutura e as propriedades do catalisador, melhorando assim o desempenho eletrocatalítico. Dada a diferente mecânica de funcionamento do CO2RR de alta temperatura operando nas células de eletrolise de óxido sólido (SOECs), os materiais de cátodo não só precisam atender aos requisitos da baixa temperatura, mas também devem possuir alta condutividade iônica e eletrônica, robusta resistência à carbonização e superior compatibilidade com os eletrólitos. Na busca por esse objetivo, um esforço considerável está direcionado ao design de eletrodos de cátodo mais eficientes e eficazes para CO2RR de alta temperatura. Além dos materiais tradicionais de metal e óxido de metal, materiais à base de perovskita estão surgindo como candidatos promissores devido à sua estrutura única e desempenho favorável em CO2RR a temperaturas elevadas. Neste relato, apresentamos os avanços recentes na pesquisa sobre o design de materiais de cátodo na eletrolise de CO2. Primeiro, discutimos o design de eletrocatalisadores de CO2RR de baixa temperatura usando diferentes estratégias de engenharia, incluindo engenharia estrutural, engenharia de defeitos, engenharia de fases, engenharia de dopagem, engenharia de interface e engenharia de microambiente. Combinados com alguns trabalhos representativos de nosso grupo e de outros pesquisadores, as vantagens dessas diversas estratégias são further elucidated, proporcionando uma compreensão mais aprofundada do design de eletrocatalisadores. Em seguida, resumimos os materiais de cátodo para a utilização de CO2RR de alta temperatura com base nos tipos de materiais, como metais/óxidos de metal e materiais à base de perovskita. A discussão adicional de diferentes abordagens, como infiltração, dopagem e exsolução in situ é resumida, visando melhorar o desempenho eletrocatalítico dos materiais à base de perovskita para CO2RR de alta temperatura. Finalmente, apresentamos os desafios atuais e as perspectivas futuras da eletrolise de CO2, tanto no design de materiais de cátodo quanto no sistema de reação, com o objetivo de alcançar aplicações mais lucrativas.