نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

الکترولیز زوجی کاهش کربن دی‌اکسید و سنتز آندی پلیمر کوئوردیناسیون مس-نیتروبنزایمیدازول

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
حسین صادقی 1
فهیمه ورمقانی 1، 2
1 دانشکده شیمی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، زنجان، ایران
2 پژوهشکده علوم پایه و فناوری‌های نوین، دانشگاه تحصیلات تکمیلی علوم پایه زنجان، زنجان، ایران
چکیده
در این پژوهش، به‌منظور غلبه بر چالش‌های اساسی فرآیند کاهش الکتروشیمیایی کربن دی‌اکسید در سلول‌های الکتروشیمیایی متداول، به‌ویژه بازده انرژی پایین، یک سیستم الکترولیز زوجی طراحی شد. در این کار، واکنش اکسایش آب (OER) که فرآیندی با سرعت کند است، با سنتز پلیمر کوئوردیناسیون آمورف مس-نیتروبنزایمیدازول ((Cu-NBim در شرایط ملایم جایگزین شد. با توجه به پتانسیل استاندارد اکسایش فلز مس (34/0+ ولت ) در مقایسه با آب (23/1+)، این فلز از لحاظ ترمودینامیکی شرایط استاندارد راحت‌تری برای اکسایش نسبت به آب دارد و بنابراین انرژی مورد نیاز سلول الکترولیز به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. بخش کاتدی سلول، مجهز به کاغذ گرافیتی اصلاح شده با کاتالیزگر کبالت فتالوسیانین/نانولوله کربنی چند دیواره ((CoPc@MWCNT است که برهم‌کنش‌های قوی میان اجزای آن منجر به توزیع CoPc شده است، که نقشی حیاتی در بهبود عملکرد الکتروکاتالیزگری ایفا می‌کند. نتایج الکتروشیمیایی نشان داد که این کاتالیزگر فعالیت مناسبی در کاهش کربن دی‌اکسید دارد، به‌طوری که فرآیند در پتانسیل شروع 47/۰- ولت (نسبت به RHE) آغاز شده و سیستم به چگالی جریان ۲۰ mA/cm با اعمال پتانسیل 91/0- ولت (نسبت به RHE) دست می‌یابد. این سلول موفق به تولید همزمان کربن مونوکسید و هیدروژن معروف به گاز سنتز با نسبت مولی 3/1 به 1 و فرکانس تبدیل (TOF) معادل 3.3 بر ثانیه شد. این رویکرد، مسیری نوین و کارآمد برای تبدیل همزمان آلاینده کربن دی‌اکسید به سوخت و تولید مواد با ارزش اقتصادی بالا ارائه می‌دهد.
کلیدواژه‌ها
الکترولیز زوجی
کاهش الکتروشیمیایی کربن دی‌اکسید
سنتز الکتروشیمیایی
پلیمر کوئوردیناسیون
کبالت فتالوسیانین
گاز سنتز
موضوعات
[1] اسرافیلی دیزجی م.، نژادابراهیمی ب.، بررسی محاسباتی کاهش کربن دی اکسید به‌وسیله مولکول هیدروژن بر روی صفحه گرافن دوپه شده با اتم‌های نیکل و نیتروژن،  نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 39(4): 109 تا 118 (1399).
[2] رستگار ز.، قائمی ا.، شیروانی م.، مطالعه تجربی جذب کربن‌دی‌اکسید با استفاده از محلول آبی پتاسیم هیدروکسید، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 40(1): 115 تا 126 (1400).
 [3] Awogbemi O., Desai D. A., Novel Technologies for CO2 Conversion to Renewable Fuels, Chemicals, and Value-Added Products, Discov. Nano, 20(1): 29 (2025).
[4] رشیدی ح.، ممیوند س.، بررسی اثر پارامترهای عملیاتی بر میزان جذب کربن دی اکسید با استفاده از نانوسیال آب-آلومینا در برج دیواره مرطوب با استفاده از روش سطح-پاسخ، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 40(1): 115 تا 126 (1400).
[5] Xu C., Hong P., Dong Y., Robert M., Shao G., Lei Y., Toward Complete CO2 Electroconversion: Status, Challenges, and Perspectives, Adv. Energy Mater, 16(8): 2406146 (2026).
[6] Dutta N., Peter S.C., Electrochemical CO2 Reduction in Acidic Media: A Perspective, J. Am. Chem. Soc, 147(11): 9019-9036 (2025).
[7] Wang H., Wang X., Jiang Y., Li M., Peng H., Ma G., Xu Y., Application of COF Materials in Carbon Dioxide Electrocatalytic Reduction, Chem. Rec., 25(5): e202400244 (2025).
[8] Omidi S., Khaledian S., Varmaghani F., Karimi B., Veisi H. H., Sadeghi H., Sepehri Z., Cu-and Zn-PC/Mesoporous Ccarbon hybrids Boost CO2 Electroreduction Toward C1 Products, J. CO2 Util., 108: 103437 (2026).
[9] Wang C., Zhang Y., Zhao F., Zhao D., Zhang J., Design Principles of Metal Phthalocyanine for Electrochemical CO2 reduction: from Targeted Molecular Structures to Atomic‐Level Active Sites, Small, 21(25): 2502897 (2025).
[10] Song Y., Musgrave III C.B., Su J., Huang L., Guo W., Liu Y., Ye R., Efficient CO2-to-Methanol Electrocatalysis in Acidic Media via Microenvironment-tuned Cobalt Phthalocyanine, Nat. Nanotechnol, 21(1): 78-86 (2026).
[11] He J., Han Y., Xu X., Sun M., Kang L., Lin W., Liu J., Controllable Dispersion of Nickel Phthalocyanine Molecules on Graphene Oxide for Efficient Electrocatalytic CO2 Reduction, J. Mater. Chem. A, 13(21): 15762-15772 (2025).
[12] کریمی ع.، کریمی م.، سنتز رنگ‌های فلز-فتالوسیانین جدید حاوی چهار گروه (4،2،1- تری آزین) استخلاف شده در موقعیت­های پیرامونی، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 36(3): 41 تا 48 (1400).
[13] Yan X. C., Tong H., Zhang N. N., Gan Z. K., Wang Y., Dong H., Zhang F. M., Electronic tuning of Defect-rich Ultrathin Nitrogen-doped Porous Carbon Nanosheets Supported Metal Phthalocyanine Catalysts for CO2 Electroreduction, J. Colloid Interface Sci., 696: 137881 (2025).
[14] Barat-Abtahi S., Jafari-Hafshejani F., Varmaghani F., Karimi B., Veisi H., Robust Interaction of Cobalt Phthalocyanine and Nitrogen-doped Ordered Mesoporous Carbon for CO2 Reduction Paired with the Electro-Oxidative Synthesis of Sulfonamide Derivatives, Green Chem., 26: 362-374 (2024).
[15] Li Z., Zhou Z., Sun M., Wu T., Lu Q., Lu L., Chen B., Chan C. H., Wong H.H., Huang B., A Mechanism Review of Metal Phthalocyanines as Single-atomic Catalysts in Electrochemical Energy Conversion, Chem. Sci., 16(31): 14019-14037 (2025).
[16] Penlik Y., Avcıata O., Gorduk S., Photophysicochemical and Aggregation Studies of Highly Soluble Zn (II) and Mg (II) Phthalocyanine Compounds Based on Tinuvin-326, J. Mol. Struct., 144285 (2025).
[17] Li M. L., Yang Q., Luo M., Hui K. S., Chen F., Cobalt Phthalocyanine Axially Coordinated with Carbon Nanotubes for Electrochemical Carbon Dioxide Reduction into Methanol, Langmuir, 42(1): 1537-1545 (2026).
[18] Zhu L., Wang Y. X., Chen L. J., Li J., Zhou S., Yang Q.Q., Wu L.Z., Single Molecular Dispersion of Crown Ether‐Decorated Cobalt Phthalocyanine on Carbon Nanotubes for Robust CO2 Reduction Through Host‐Guest Interactions, Angew. Chem., 137(6): e202418156 (2025).
[19] Wang T.H., Sari F.N.I., Cheng Y.P., De Guzman E.E., Matamoros‐Veloza A., Camargo‐Valero M.A., Lin C.Y., High‐Rate and Selective Conversion of Low‐Concentration Carbon Dioxide to Carbon Monoxide Using a Carbon Nanotube‐Supported Molecular Electrocatalyst, Small, e12257 (2026).
[20] Shamsvand N., Varmaghani F., Karimi B., Hassanaki H., Insight into the Role of Nitrogen in N-doped Ordered Mesoporous Carbons for the Spontaneous Non-Covalent Attachment and Electrografting of Redox-Active Materials, Analyst, 148(6): 1309-1321 (2023).
[21] Ghafari M.T., Varmaghani F., Karimi B., Khakyzadeh V., Robust Non-Covalent and Covalent Anchored N, N, N′, N’-Tetramethyl-p-phenylenediamine Derivative on Electrode Surface via Spontaneous Physical Immobilization and in situ Generated Aryldiazonium ion Electro-grafting: Implication for On-surface Chemistry and Electro-Catalytic Determinations, Analyst, 145(2): 596-606 (2020).
[22] Varmaghani F., Karimi B., Mallakpour S., Stabilization of 4-Phenylurazole by Electrografting on a Nano-Fibrillated Mesoporous Carbon Modified Electrode. Reactivity of Anchored Triazolinedione Groups against Michael-type Addition at Electrode/electrolyte Interface, Electrochim. Acta, 269: 312-320 (2018).
[23] Huang W., Li J., Xu X., Cao A., He Y., Sun M., Kang L., Controllable Dispersion of Cobalt Phthalocyanine Molecules on Graphene oxide for Enhanced Electrocatalytic Reduction of CO2 to CO, New J. Chem, 46(15): 7153-7160 (2022).
[24] Göransson K., Söderlind U., He J., Zhang W., Review of Syngas Production via Biomass DFBGs, Renew. Sustain. Energy Rev, 15(1): 482-492 (2011).
[25] Daiyan R., Chen R., Kumar P., Bedford N.M., Qu J., Cairney J.M., Lu X., Amal R., Tunable Syngas Production through CO2 Electroreduction on Cobalt–Carbon Composite Electrocatalyst, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12(8): 9307-9315 (2020).
[26] Leverett J., Khan M.H.A., Tran‐Phu T., Tricoli A., Hocking R.K., Yun S.L.J., Dai L., Daiyan R., Amal R., Renewable Power for Electrocatalytic Generation of Syngas: Tuning the Syngas Ratio by Manipulating the Active Sites and System Design, ChemCatChem, 14(24): e202200981 (2022).
[27] He Q., Liu D., Lee J. H., Liu Y., Xie Z., Hwang S., Kattel S., Song L., Chen J.G., Electrochemical Conversion of CO2 to Syngas with Controllable CO/H2 Ratios Over Co and Ni Single‐Atom Catalysts, Angew. Chem. Int. Ed., 59(8): 3033-3037 (2020).
[28] Wu X., Zhang Y., Zhou Y., Sun D., Yan Q., Zhang H., Yang S., Wu J., Zou Y., Integrated Systems for Paired Electrolysis: Synergistic CO2 Reduction and High‐Value Anode Oxidation, Adv. Mater., 38(24): e22368 (2026).
[29] Li D., Yang J., Lian J., Yan J., Liu S. F., Recent Advances in Paired Electrolysis Coupling CO2 Reduction with Alternative Oxidation Reactions, J. Energy Chem., 77: 406-419 (2023).
[30] Wang X., Li P., Tam J., Howe J. Y., O’Brien C.P., Rasouli A.S., Mia R.K., Efficient CO and Acrolein Co-production via Paired Electrolysis, Nat. Sustain., 7(7): 931-937 (2024).
[31] Jiang X., Zhao K., Feng H., Ke L., Wang X., Liu Y., Li L., Unraveling Side Reactions in Paired CO2 Electrolysis at Operando Conditions: A Case Study of Ethylene Glycol Oxidation, J. Am. Chem. Soc, 147(16): 13471-13482 (2025).
[32] Yang K., Zhang N., Yang J., Xu Z., Yan J., Li D., Liu S. F., Synergistic Marriage of CO2 Reduction and Sulfide Oxidation Towards a Sustainable Co-electrolysis Process, Appl. Catal. B: Environ, 332: 122718 (2023).
[33] Khaledian S., Omidi S., Varmaghani F., Karimi B., Sepehri Z., Veisi H. H., Vali H., Two Targets with One Shot: Cost-Efficient Electrochemical CO2 Reduction Coupled with the Synthesis of Cu-and Zn-Based Metal–Organic Frameworks, ACS Sustainable Chem. Eng, 13(41): 17309-17323 (2025).
[34] i T.T., Mei Y., Li H., Qian J., Wu M., Zheng Y.Q., Highly Selective and Active Electrochemical Reduction of CO₂ to CO on a Polymeric Co(II) Phthalocyanine@Graphitic Carbon Nitride Nanosheet–Carbon Nanotube Composite, Inorg. Chem, 59(19): 14184-14192 (2020).
[35] Yang J.H., Gao Y., Zhang W., Tang P., Tan J., Lu A.H., Ma D., Cobalt Phthalocyanine–Graphene Oxide Nanocomposite: Complicated Mutual Electronic Interaction, J. Phys. Chem. C, 117(8): 3785-3788 (2013).
[36] Su Q., Pang S., Alijani V., Li C., Feng X., Müllen K., Composites of Graphene with Large Aromatic Molecules, Adv. Mater, 21(31): 3191-3195 (2009).
[37] Deng H., Liu T., Zhao W., Wang J., Zhang Y., Zhang S., ... Wang Y., Substituent Tuning of Cu Coordination Polymers Enables Carbon-efficient CO2 Electroreduction to Multi-Carbon Products, Nat. Commun, 15(1): 9706 (2024).
[38] Lee K., Vikneshvaran S., Lee H., Lee S.Y., Ligand-Mediated Electrocatalytic Activity of Cu-Imidazolate Coordination Polymers for OER in Water Electrolysis, Int. J. Hydrogen Energy, 51: 1184-1196 (2024).
[39] Xia S., Chen Y., Li T.T., Identification of Synergies in Polyaniline Supported Cobalt Polyphthalocyanine for Efficient and Selective CO₂ Electroreduction to CO, J. Colloid Interface Sci, 139071 (2025).
[40] Kang H., Staples-West A., Washington A., Turchiano C., Cooksy A., Huang J., Gu J., Enhancing CO₂ Reduction Efficiency on Cobalt Phthalocyanine via Axial Ligation, ChemCatChem, 15(14): e202300576 (2023).
[41] Kong X., Liu G., Tian S., Bu S., Gao Q., Liu B., Wang P., Zhang W., Coupling Cobalt Phthalocyanine Molecules on 3D Nitrogen-Doped Vertical Graphene Arrays for Highly Efficient and Robust CO₂ Electroreduction, Small, 18: 2204615 (2022).
[42] Xu Y., Cheng J., Lv H., Ding L., Zhang K., Hou C., Yang X., Modulating Co–N Bond Length of CoPc In Situ Grown on Carbon Nanotubes for Efficient CO₂ Electroreduction, Ind. Eng. Chem. Res., 63: 18348-18358 (2024).
[43] Zhang X., Wu Z., Zhang X., Li L., Li Y., Xu H., Li X., Yu X., Zhang Z., Liang Y., Wang H., Highly Selective and Active CO₂ Reduction Electrocatalysts Based on Cobalt Phthalocyanine/Carbon Nanotube Hybrid Structures, Nat. Commun., 8: 14675 (2017).
[44] Liang F., Zhang J., Hu Z., Ma C., Ni W., Zhang Y., Zhang S., Intrinsic Defect-Rich Graphene Coupled Cobalt Phthalocyanine for Robust Electrochemical Reduction of Carbon Dioxide, ACS Appl. Mater. Interfaces, 13: 25523-25532 (2021).
[45] Yang C., Gao Z., Wang D., Li S., Li J., Zhu Y., Hu W., Bimetallic Phthalocyanine Heterostructure Used for Highly Selective Electrocatalytic CO₂ Reduction, Sci. China Mater, 65: 155-162 (2022).